论文部分内容阅读
窄禁带半导体InGaAs和HgCdTe的电子有效质量小，迁移率高，有效g因子大，具有较强的自旋-轨道耦合作用，是制备自旋器件的理想材料。研究其在深低温、强磁场以及微波辐照下的输运性质，可以为自旋器件的设计开发提供有价值的参考依据。本论文主要研究了InGaAs量子阱和HgCdTe薄膜的低温磁输运性质，得到以下结果： (1)研究了In0.65Ga0.35As/In0.52Al0.48As量子阱样品在垂直磁场下的磁输运性质。观察到由零场自旋分裂引起的Shubnikov-deHaas(SdH)振荡拍频效应。对不同温度下的SdH拍频进行傅里叶变换(FT)，发现自旋向上傅里叶峰和自旋向下傅里叶峰的峰值随着温度升高具有不同的衰减速率，说明不同自旋方向的电子具有不同的有效质量。提出一种解析的方法同时拟合多个温度下SdH拍频的傅里叶变换谱，得到自旋向上电子的有效质量(0.0446m0)大于自旋向下电子的有效质量(0.0424m0)。有效质量的大小关系与DasSarma等的理论预期以及Spirin等对HgTe/Hg0.4Cd0.6Te量子阱自旋电子有效质量的回旋共振实验结果一致。 (2)研究了有栅In0.53Ga0.47As/InP量子阱样品和有栅In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子阱样品在倾斜磁场下的磁输运性质。通过同时拟合多个磁场倾角下SdH拍频的傅里叶变换谱，得到了不同栅压下In0.53Ga0.47As/InP量子阱样品的有效g因子。发现当磁场倾角较大时，In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子阱样品SdH拍频节点所对应的磁场垂直分量随着磁场倾角的增大向高场移动。通过拟合拍频节点位置随磁场倾角的变化，得到了不同栅压下In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子阱样品的有效g因子和零场自旋分裂能。 (3)研究了As掺杂HgCdTe薄膜样品在垂直磁场下的磁输运特性。观察到反局域效应，说明样品中存在较强的自旋.轨道耦合。通过Hikami-Larkin-Nagaoka(HLN)局域模型和Drude电导模型拟合磁电导曲线，得到了电子的退相干时间和自旋-轨道散射时间。研究结果表明，电子的退相规律符合Nyquist退相机制。 (4)在磁输运测试系统中进一步引入微波辐照，观察到As掺杂HgCdTe薄膜样品的磁电导和反局域磁电导尖峰深度随着微波功率的增加而增大。通过拟合发现电子退相干时间(与反局域磁电导尖峰深度相关)和电子浓度均随微波功率的增强而增大。电子退相干时间的微波增益与热效应明显不符。该现象也与镁薄膜、银纳米线以及阳极氧化HgCdTe表面反型层二维电子气的反弱局域效应和电子退相干时间在微波辐照下均受抑制的现象相反。霍尔系数的测试结果表明样品是电子和空穴相互补偿的半导体，并且由于费米波矢与平均自由程的乘积小于1，表明样品中的电子处于强局域范畴，具备形成electronglass的条件。零磁场电导的微波增益符合微波电场引起electronglass的跳跃电导增强机制。类似于electronglass的超快弛豫，HgCdTe导带底下方浅能级的电子可以被微波激发到导带并快速弛豫回浅能级。因此在一定功率微波的持续辐照下，当激发过程和弛豫过程达到平衡时，导带电子浓度将出现一定的增益，微波功率越大，电子浓度的增益越大。根据费米液体理论，电子退相干时间随着电子浓度的增加而增大。因此电子退相干时间的微波增益可以用微波引起的电子浓度增益来解释。