ΑΚΕΡΑΙΟ ΚΒΑΝΤΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ HALL

1. MAGNETOTRANSPORT IN A PSEUDOMORPHIC GaAs/Ga0.8In0.2As/Ga0.75Al0.25As HETEROSTRUCTURE WITH A Si DELTA-DOPING LAYER
   VANDERBURGT M, KARAVOLAS VC, PEETERS FM, et al.
   PHYSICAL REVIEW B-CONDENSED MATTER
   52: (16) 12218-12231 OCT 15 1995

Η επίδραση ισχυρών μαγνητικών πεδίων σε κβαντικά χαμηλοδιάστατα ημιαγώγιμα συστήματα συγκεντρώνουν έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον η δε ανάδειξη του Κβαντικού Φαινομένου Ηall αποτελεί ένα από τα μετωπικά φυσικά φαινόμενα στις μέρες μας.

Πειραματικές μετρήσεις της μαγνητοαντίστασης και της αντίστασης Ηall σε κβαντικό πηγάδι Ga_0.8 In_0.2 As με ένα παράλληλο δ-στρώμα Si πραγματοποιήθηκαν σε μαγνητικά πεδία μέχρι 50 Τ και σε θερμοκρασίες από 1.4 μέχρι 4.2 Κ. Η συγκέντρωση των φορέων μεταβάλλεται ακτινοβολώντας το δείγμα (persistent photoconductivity). Στις χαμηλές συγκεντρώσεις μόνο η κατώτερη υποζώνη του κβαντικού πηγαδιού είναι κατειλλημένη και παρατηρείται το Ακέραιο Κβαντικό Φαινόμενο Hall.

Αυξάνοντας την συγκέντρωση των φορέων η δεύτερη υποζώνη του κβαντικού πηγαδιού καταλαμβάνεται και ακόμα για μεγαλύτερες συγκεντρώσεις η χαμηλότερη υποζώνη του δ-στρώματος.

Τότε παρατηρούνται τα εξής φαινόμενα:

α) Παράλληλη αγωγιμότητα μεταξύ του πηγαδιού και του δ-στρώματος για Β<30 Τ

β) Μαγνητικό πάγωμα των φορέων

γ) Κβαντικό φαινόμενο Hall στο δ-στρώμα.

Η θεωρητική μας ανάλυση στηρίζεται σε ένα μοντέλο παράλληλης αγωγιμότητας δύο αερίων. Από τα πειραματικά δεδομένα για τα χαμηλα πεδία υπολογίσαμε τις συγκεντρώσεις κάθε υποζώνης καθώς και τις ευκινησίες τους. Για τα υψηλά μαγνητικά πεδία χρησιμοποιήθηκαν διαπλατυσμένα (γκαουσιανή κατανομή). Υπολογίσαμε το πλάτος των επιπέδων Landau, το πλάτος των "extended states" στο κβαντικό πηγάδι και στο δ-στρώμα. Για ενδιάμεσες συγκεντρώσεις φορέων το "μαγνητικό πάγωμα" βρέθηκε να είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα υψηλά πεδία. Η σύγκριση θεωρίας και πειράματος είναι πολύ καλή.

2. MAGNETOTRANSPORT PROPERTIES OF Si-DELTA-DOPED InSb LAYERS GROWN ON GaAs
   DEKEYSER A, BOGAERTS R, VANBOCKSTAL L, W. HOEKS, F.HERLACH, V.C.KARAVOLAS et al.
   PHYSICA B
   211: (1-4) 455-457 MAY 1995

Πειραματικές μετρήσεις σε δείγματα InSb ντοπαρισμένα με δέκα δ-στρώματα Si έδειξαν ότι υπάρχει ταυτόχρονα και τρισδιάστατο και διδιάστατο ηλεκτρονικό αέριο. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις από 0-50 Τ της μαγνητοαντίστασης και της Hall ειδικής αντίστασης για θερμοκρασίες από 1.4 μέχρι 4.2 Κ.

Παρατηρήθηκε ότι για χαμηλά μαγνητικά πεδία το τρισδιάστατο αέριο κυριαρχεί . Σε ψηλότερα πεδία (στην περιοχή των 30 Τ) έχουμε μια μετάβαση από το τρισδιάστατο αέριο στο διδιάστατο. Παρατηρήθηκε ότι σε λίγο υψηλότερα πεδία η Hall ειδική αντίσταση σταθεροποιείται σε μια τιμή κοντά στα 26 kOhm, χαρακτηριστική για το ν=1 πλατώ στο Ακέραιο Κβαντικό Φαινόμενο Hall.

Η μετάβαση αυτή οφείλεται στο "μαγνητικό πάγωμα" των τρισδιάστατων φορέων. Η τιμή της αντίστασης Hall είναι δεκαπλάσια της αναμενόμενης αν το κάθε δ-στρώμα δρούσε ξεχωριστά .

Τα δέκα αυτά δ-στρώματα δεν είναι πιθανό να έχουν ενωθεί σε ένα που να εμφανίζει το Ακέραιο Κβαντικο Φαινόμενο Hall γιατί το πλάτος του δημιουργούμενου πηγαδιού (μεγαλύτερο από 500 nm) είναι αρκετά μεγάλο ώστε να μην επιτρέπει την παρατήρηση ξεχωριστών υποζωνών σε αντίθεση με τα πειραματικά δεδομένα. Άρα θα πρέπει να σχηματίζεται σε κάποιο σημείο του δείγματος (πιθανότατα στην ενδοεπαφή GaAs/InGaAs) ένα ξεχωριστό διδιάστατο αέριο που τελικά παρατηρείται.

3. INTERPLAY OF 2D AND 3D CHARGE CARRIERS IN Si-DELTA -DOPED InSb LAYERS GROWN EPITAXIALLY ON GaAs
   DeKeyser A, Bogaerts R, Karavolas VC, et al.
   SOLID-STATE ELECTRONICS
   40: (1-8) 395-398, Sp. Iss. SI 1996

Πειραματικές μετρήσεις σε δείγματα InSb ντοπαρισμένα με ένα δ-στρώμα Si έδειξαν ότι υπάρχει ταυτόχρονα και τρισδιάστατο και διδιάστατο ηλεκτρονικό αέριο. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις από 0-50 Τ της μαγνητοαντίστασης και της ειδικής αντίστασης Hall για θερμοκρασίες από 1.4 μέχρι 4.2 Κ.

Παρατηρήθηκε ότι για χαμηλά μαγνητικά πεδία το τρισδιάστατο αέριο κυριαρχεί . Σε ψηλότερα πεδία (στην περιοχή των 30 Τ) έχουμε μια μετάβαση από το τρισδιάστατο αέριο στο διδιάστατο. Παρατηρήθηκε ότι σε λίγο υψηλότερα πεδία η Hall ειδική αντίσταση σταθεροποιείται σε μια τιμή κοντά στα 26 kOhm, χαρακτηριστική για το ν=1 πλατώ στο Ακέραιο Κβαντικό Φαινόμενο Hall.

Η μετάβαση αυτή οφείλεται στο "μαγνητικό πάγωμα" των τρισδιάστατων φορέων.

Η θεωρητική ανάλυση στηρίχθηκε σε ένα μοντέλο παράλληλης αγωγιμότητας δύο αερίων, ενός τρισδιάστατου και ενός διδιάστατου. Υπολογίσθηκαν αριθμητικές τιμές για τους συντελεστές μεταφοράς καθώς και για τους μηχανισμούς του "μαγνητικού παγώματος" των τρισδιάστατων φορέων. Η συγκριση πειράματος και θεωρίας ήταν ικανοποιητική.

4. 2D SEMICONDUCTORS AT THE LEUVEN PULSED FIELD FACILITY

R. Bogaerts, A. De Keyser, L. Van Bockstal, M. van der Burgt, A. Van Esch, R. Provoost, R.

Silverans, F. Herlach, B. Swinnen, A.F.W. van de Stadt, P.M. Koenraad, J.H Wolter, V.C.

Karavolas, F. M. Peeters, W. van de Graaf and G. Borghs

Physicalia Mag. 19 229 (1997) .

Η εργασία αυτή αποτελεί την έκθεση των πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων της ομάδας του Εργαστηρίου

Ισχυρών Μαγνητικών Πεδίων στο Πανεπιστήμιο του Leuven (Laboratorium

voor Vaste-Stoffysica en Magnetisme), σχετικά με το Ακέραιο Κβαντικό

Φαινόμενο Hall σε ημιαγώγιμες διατάξεις και σε πολύ υψηλά μαγνητικά πεδία.

Συγκεκριμένα:

α) Ιδιότητες της μαγνητοαντίστασης ενός δ-στρώματος ντοπαρισμένου Si σε InSb.

β) Μαγνητοαντίσταση μιάς ψευδομορφικής GaAs/AlGaAs ετεροεπαφής με ένα δ-στρώμα ντοπαρισμένου Si.

γ) Συνεργασία διδιάστατων και τρισδιάστατων φορέων φορτίου σε ένα δ-στρώμα InSb ντοπαριsμένου με Si.

5. SYSTEMATIC STUDY OF THE WIEDERMANN-FRANZ LAW IN THE QUANTUM HALL- EFFECT REGIME

Karavolas VC, Triberis GP

PHYSICAL REVIEW B-CONDENSED MATTER

59: (11) 7590-7595 MAR 15 1999

Ένα από τα σημαντικότερα ανοικτά προβλήματα από την ανακάλυψη του Κβαντικού Φαινομένου Hall είναι αυτό της θερμικής μεταφοράς. Αν και ένας αριθμός από εργασίες έχουν ασχοληθεί με την θερμοϊσχύ και τη θερμική αγωγιμότητα, η κατάσταση παραμένει ασαφής. Θεμελιώδεις νόμοι όπως ο νόμος των Wiedemann-Franz που χαρακτηρίζουν το 3-D ηλεκτρονικό αέριο (όπως εξ' άλλου και ο νόμος του Ohm) έχουν αμφισβητηθεί. Μια πειστική συστηματική ανάλυση, και η ερμηνεία των πιθανών αποκλίσεων αποτελούν μέρος του προβλήματος. Αν και τα πειραματικά δεδομένα μετρημένα σε απουσία μαγνητικού πεδίου του Syme et al. δείχνουν ότι ο νόμος αυτός ισχύει, οι θεωρητικές εργασίες των Oji και του Blanter προβλέπουν το αντίθετο χωρίς να δίνουν μια ικανοποιητική εξήγηση.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζουμε μια συστηματική ανάλυση του προβλήματος. Υπολογίζουμε αναλυτικά και αριθμητικά τον τανυστή της θερμικής αγωγιμότητας που οφείλεται στην διάχυση για διαφορετικά μαγνητικά πεδία και διαπλάτυνση επιπέδων Landau. Η ανάλυση μας δείχνει ότι η διαγώνια συνιστώσα της θερμικής αγωγιμότητας παραβιάζει τον νόμο των Wiedemann-Franz για μικρές διαπλατύνσεις επιπέδων Landau. Υπεύθυνες είναι οι ενεργειακές παράγωγοι της διαγώνιας συνιστώσας της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και σαν επακόλουθο η μορφή της πυκνότητας καταστάσεων. Στην περίπτωση της μη-διαγώνιας συνιστώσας οι αποκλίσεις που υπολογίσαμε είναι σημαντικά μικρότερες και τα αποτελέσματα μας είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητα στην μορφή της πυκνότητας καταστάσεων.