Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к исследованию двумерных электронных систем (ДЭС) в полупроводниковых устройствах обусловлен как разработкой новых полупроводниковых приборов, используемых в электронике, так и доступностью изучения в таких системах фундаментальных физических эффектов, среди которых одно из основных мест занимает квантовый эффект Холла (КЭХ). В режиме КЭХ (в сильных магнитных полях и при достаточно низких температурах) в зависимости холловского сопротивления Еху от заполнения уровней Ландау v = nshc/(eH) возникают плато с квантованными значениями сопротивления на них Rzy = (q/p) (Л/е2) (здесь ns — концентрация электронов в двумерном слое, Н — магнитное поле, hc/e — квант магнитного потока, р, q — целые числа, q — обычно нечетное). Высокая точность, стабильность и воспроизводимость значений холловского сопротивления на плато позволяют использовать его в качестве нового международного эталона сопротивления. Необходимым условием возникновения холлов-ских плато является наличие в системе беспорядка. В связи с этим особенное значение приобретает исследование роли беспорядка и его характеристик в реальных ДЭС. Сравнительно небольшая концентрация носителей в ДЭС приводит к тому, что эффекты межэлектронного взаимодействия (ярким примером которых является дробный квантовый эффект Холла) оказываются существенно усиленными по сравнению с трехмерным случаем и, следовательно, более доступными для изучения.
Цель работы. Целью работы является исследование термодинамических и динамических характеристик ДЭС около гетероперехода GaAs/AlGaAs с доминирующими длиннопериодными флуктуациями потенциала при помощи емкостной методики, состоящей в прецизионном измерении емкости между ДЭС и затвором полевого транзистора, в котором создается эта система.
Научная нов изна диссертационной работы заключается в следующих
оригинальных результатах, которые; выносятся на защиту:
1. Показано, что в образцах с доминирующими длиннопериодными
флуктуациями потенциала микроскопическим механизмом возникнове
ния минимумов емкости на состояниях КЭХ является движение областей
несжимаемой электронной фазы, в которых фактор заполнения является
целочисленным. Ширина минимума является мерой дисперсии плотно
сти электронов в ДЭС.
Исследованы температурные зависимости особенностей в емкости на состояниях ЦКЭХ и показано, что эти особенности во всем исследованном диапазоне факторов заполнения, температур и магнитных полей описываются моделью с длиннопериодными флуктуациями концентрации и 6-образными уровнями Ландау; на основании предложенной модели экспериментально определены величины циклотронных и спиновых щелей в ДЭС, а также получена верхняя оценка уширения уровней Ландау.
2. Исследовано влияние параллельной ДЭС компоненты магнитного
поля #ц на состояния КЭХ различного происхождения: циклотронные,
спиновые и кулоновские.
Продемонстрирована возможность изучения спиновой поляризации ДЭС на основании изменений емкости при наклоне магнитного поля от-. носительно плоскости ДЭС. Определена спиновая поляризация ДЭС в области 0.28 < v < 0.9. Показано, что в широком диапазоне магнитных полей исследованная ДЭС, демонстрирующая ДКЭХ на факторах заполнения 1/3 и 2/3, является полностью поляризованной по спину при v < 2/3. Изменение спиновой поляризации при больших факторах заполнения в окрестности v = 2/3 соответствует квазиэлектронным возбуждениям со спином против магнитного поля.
Показано, что при наклоне поля изменение особенности в емкости при i/=l соответствует теории, предсказывающей, что в этом состоянии наиболее энергетически выгодны возбуждения со спиновой тек-
стурой, возникновение которых сопровождается значительным уменьшением спина ДЭС. При интерпретации экспериментальных результатов в рамках таких представлений обнаружено, что спин возбуждения зависит от величины перпендикулярной компоненты магнитного поля и температуры, а его максимальная наблюдавшаяся величина составляет «2.5.
3. Исследован эффект шнурования тока, предшествующий пробою КЭХ, в гетероструктурах GaAs/AIGaAs с затвором и без него.
В гетероструктурах без затвора обнаружен нелинейный эффект самоиндуцированного шнурования тока.
В полевых транзисторах в зависимости емкости от напряжения на затворе при пропускании постоянного тока наблюдались узкие пики вблизи целочисленных факторов заполнения, ширина которых при малых токах может быть значительно меньше ширины минимума в емкости, обусловленной дисперсией плотности электронов в образце. Показано, что этот эффект связан с перемещением шнура постоянного тока по образцу. Выдвинута гипотеза, что ширина пика при малых токах определяется шириной области факторов заполнения, при которых возможно протекание тока по областям несжимаемой фазы.
Научная и практическая ценность.
Актуальность изучения свойств ДЭС во многом обусловлена как возможностью их практического применения для создания новых электронных приборов, гак и доступностью изучения в таких системах фундаментальных физических эффектов. Результаты данной работы проясняют вопрос о происхождении большой плотности состояний в магнито-емкостных экспериментах в щели между уровнями Ландау. Предложенный способ разделения влияния короткопериодного и длиннопериодного случайного потенциала может использоваться для тестирования однородности производимых двумерных систем. Наши результаты также дают новые сведения о поляризации основного состояния ДЭС в режиме
дробного КЭХ, что напрямую относится к фундаментальному вопросу о роли межэлектронного взаимодействия в ультраквантовом пределе.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: "12th International Conference on the Application of High Magnetic Fields", Wurzburg, Германия, 1996; "23rd International Conference on the Physics of Semiconductors'", Берлин, Германия, 1996; "Meso-scopic and strongly correlated electon systems", Черноголовка, Россия, 1997, 2000; " Novel Physics in Low-Dimencional Electron Systems", Дрезден, Германия, 1997; на конференции "The 24-th international conference on the physics of semiconductors", Иерусалим, Израиль, 1998, а также на III Всероссийской конференции по физике полупроводников Москва, 1997; и на V Школе-Семинаре Молодых Ученых "Проблемы Физики Твердого Тела и Высоких Давлений", Туапсе, 1997;.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы.