半导体材料的磁输运和HgTe岛晶的光学性质

发布时间：2018-04-28 23:08

  本文选题：二维电子气 + 磁输运　； 参考：《中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)》2016年博士论文

【摘要】：自旋轨道耦合和塞曼效应是影响电子自旋动力学的两个重要物理机制,本论文验证和扩展了两者相互竞争的理论。另外还研究了Mg Zn O薄膜的三维弱局域效应和磁阻各向异性,以及Sr Ti O3衬底上生长的Hg Te岛晶的应力。主要研究内容如下:(1)系统研究了AlxGa1-x N/Ga N量子阱的输运性质,重点研究了AlxGa1-x N/Ga N量子阱在平行磁场中的反弱局域效应。通过对不同组分的样品的研究,其自旋轨道耦合分别起源于k线性体反演不对称和结构反演不对称,我们发现自旋轨道耦合与塞曼效应竞争时的自旋动力学并无本质不同。对反弱局域效应采用修正ILP模型进行拟合,我们得到了相位退相干时间和自旋轨道散射时间随平行磁场的变化规律:前者随平行磁场的增加而二次方减小,而后者却二次方增加。同时通过相位退相干时间变化的系数提取出了电子有效g因子,其值与Sd H振荡和塞曼效应得到的有效g因子一致,由此我们确认了AlxGa1-x N/Ga N量子阱系统在平行磁场下的反弱局域效应由自旋轨道耦合和塞曼效应的竞争主导。(2)选取了两个不同组分和掺杂的Hg1-xCdx Te样品,进行阳极氧化后形成反型层及二维电子气,通过实验测量发现其反弱局域效应分别处于扩散输运和弹道输运区域,即样品分别为弱自旋轨道耦合系统和强自旋轨道耦合系统。通过研究反弱局域效应在平行磁场中的变化规律,采取Golub模型拟合反弱局域效应,我们得到了相位退相干时间仍然随平行磁场的增加而二次方减小;然而自旋轨道散射时间随平行磁场却无明显变化,我们认为一方面这是由于结构反演不对称占主导的系统中其变化本来就不太明显,另一方面是由于系统中的自旋轨道耦合强度比AlxGa1-x N/Ga N量子阱系统要强很多。同时,由相位退相干时间随平行磁场的变化系数提取出了有效g因子,其值与Sd H振荡中自旋分裂峰提取出的值一致,从而将自旋轨道耦合和塞曼效应的竞争理论拓展到了强自旋轨道耦合系统中。(3)研究了存在表面粗糙涨落效应的Hg1-xCdx Te反型层样品,发现此效应会导致反弱局域效应随平行磁场的增加先增强然后才减弱。当平行磁场较大后,系统表现出如同无表面粗糙涨落效应的现象,这时相位退相干时间仍然随平行磁场的增加而二次方减小。在不同温度重复试验,我们得到了相位退相干时间随平行磁场的变化系数不变,有力的验证了自旋轨道耦合和塞曼效应的竞争理论。(4)详细研究了Zn O衬底上生长的Mg Zn O薄膜的磁输运性质。一方面发现样品存在很强的三维弱局域效应。我们采用了Kawabata三维模型和直接通过观察样品磁阻的变化速率两种方法得到了相位相干长度。其从50 K时的38.4±1 nm增加至1.4 K时的99.8±3.6 nm,并且其随温度的变化关系可描述为T3/4-。另一方面,我们在拟合过程中得到了系统的各向异性常数,通过对样品磁阻的各向异性的细致研究,我们得出其源自于几何效应和洛伦兹力影响路径长度效应,并且发现其随着温度升高减弱,随着磁场增加增强、且与电流方向有关。(5)选用了Sr Ti O3作为衬底生长了Hg Te岛晶,采用显微拉曼成像研究发现,大Hg Te岛晶的中间厚的部分的拉曼峰的波数和体材料相同,来自横模声子和纵模声子的拉曼峰的波数分别为117.1cm-1和137.3cm-1,而边缘处薄的部分的拉曼峰的波数会增大,分别为125.8cm-1和144.5cm-1。对其的理论分析发现,这是由Sr Ti O3衬底应力带来的,来自横模声子和纵模声子的拉曼峰的波数移动之比正好等于来自纵模声子和横模声子的拉曼峰的波数之比一致。我们希望这可以为将来研究受应力Hg Te成为三维拓扑绝缘体创造基础。
[Abstract]:The spin orbit coupling and the Zeeman effect are two important physical mechanisms affecting the electron spin dynamics. In this paper, the two competing theories are verified and expanded. In addition, the three-dimensional weak local effect and magnetoresistance anisotropy of the Mg Zn O thin film and the stress of the Hg Te island crystal on the Sr Ti O3 substrate are also studied. (1) (1) the transport properties of the AlxGa1-x N/Ga quantum well are systematically studied, and the anti weak local effect of the AlxGa1-x N/Ga N quantum well in parallel magnetic field is studied. The spin orbit coupling is derived from the inverse asymmetry of the K linear body and the asymmetric structure inversion by the study of the samples of different components. The spin dynamics in the competition with the Zeeman effect is not essentially different. By fitting a modified ILP model to the inverse weak local effect, we get the change law of the phase decoherence time and the spin orbit scattering time with the parallel magnetic field: the former decreases with the increase of the parallel magnetic field, and the latter is increased by the two times, while the latter is increased at the same time. The coefficients of the phase decoherence time change extract the effective g factor, which is the same as the effective g factor obtained by the Sd H oscillation and the Zeeman effect. Therefore, we confirm that the anti weak local effect of the AlxGa1-x N/Ga N quantum well system is dominated by the spin orbit coupling and the Zeeman effect. (2) two differences are selected. The components and doped Hg1-xCdx Te samples are anodized and formed the reverse layer and the two-dimensional electron gas. The experimental measurements show that the anti weak local effect is in the diffusion transport and the ballistic transport region respectively, that is, the sample is the weak spin orbit coupling system and the strong spin orbit coupling system respectively. In the field of change, the Golub model is used to fit the inverse weak local effect. We get that the phase decoherence time decreases with the increase of the parallel magnetic field, but the time of the spin orbit scattering is not obviously changed with the parallel magnetic field. We think that this is the change in the system dominated by structural inversion asymmetry on the one hand. On the other hand, the spin orbit coupling strength in the system is much stronger than that of the AlxGa1-x N/Ga N quantum well system. At the same time, the effective g factor is extracted from the phase decoherence time with the change coefficient of the parallel magnetic field, and the value is in accordance with the value extracted from the spin splitting peak in the Sd H oscillation, thus the spin orbit coupling is coupled. The competition theory of the combined and Zeeman effect is extended to the strong spin orbit coupling system. (3) the Hg1-xCdx Te reverse layer samples with the surface roughness fluctuation effect are studied. It is found that the effect will lead to the enhancement of the inverse weak local effect and the increase of the parallel magnetic field. The phenomenon of the rough fluctuation effect, at this time, the phase decoherence time still decreases with the increase of the parallel magnetic field. At different temperature repeated tests, we get the change coefficient of the phase decoherence time with the parallel magnetic field, and strongly verify the competition theory of the spin orbit coupling and the Zeeman effect. (4) the Zn O substrate is studied in detail. The magnetic transport properties of the Mg Zn O films grown on the top are found. On the one hand, it is found that there is a strong three-dimensional weak local effect in the sample. We use the Kawabata three-dimensional model and two methods directly by observing the change rate of the sample magnetoresistance to obtain the phase coherence length. It is 99.8 + 3.6 nm from 38.4 + 1 nm at the time of K to 1.4 K, and its temperature is at the temperature. The variation of the degree can be described as T3/4-., on the other hand, we get the anisotropy constant of the system in the fitting process. Through the careful study of the anisotropy of the sample magnetoresistance, we derive that it derives from the effect of the geometric effect and Lorenz force on the path length effect, and it decreases with the increase of the temperature and increases with the increase of the magnetic field. Strong, and related to the direction of the current. (5) the Hg Te island crystal was grown by Sr Ti O3 as substrate. The Raman imaging study found that the wave number of the middle thick part of the large Hg Te island crystal is the same as that of the bulk material. The wave numbers of the Raman peaks from the transverse mode phonon and the longitudinal mode phonon are 117.1cm-1 and 137.3cm-1 respectively, while the edge is thin at the edge. The wave numbers of the partial Raman peaks will be increased. The theoretical analysis of 125.8cm-1 and 144.5cm-1. shows that this is caused by the stress of the Sr Ti O3 substrate. The wave number of the Raman peaks from the transverse and longitudinal phonons is the same as the ratio of the wave numbers of the Raman peaks from the longitudinal mode phonon and the transverse mode phonons. It is believed that the study of stress Hg Te will be the foundation for 3D topological insulators in the future.

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O471

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本文编号：1817296