本文選題：二維電子氣 + 磁輸運　； 參考：《中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)》2016年博士論文

【摘要】：自旋軌道耦合和塞曼效應(yīng)是影響電子自旋動力學(xué)的兩個重要物理機(jī)制,本論文驗證和擴(kuò)展了兩者相互競爭的理論。另外還研究了Mg Zn O薄膜的三維弱局域效應(yīng)和磁阻各向異性,以及Sr Ti O3襯底上生長的Hg Te島晶的應(yīng)力。主要研究內(nèi)容如下:(1)系統(tǒng)研究了AlxGa1-x N/Ga N量子阱的輸運性質(zhì),重點研究了AlxGa1-x N/Ga N量子阱在平行磁場中的反弱局域效應(yīng)。通過對不同組分的樣品的研究,其自旋軌道耦合分別起源于k線性體反演不對稱和結(jié)構(gòu)反演不對稱,我們發(fā)現(xiàn)自旋軌道耦合與塞曼效應(yīng)競爭時的自旋動力學(xué)并無本質(zhì)不同。對反弱局域效應(yīng)采用修正ILP模型進(jìn)行擬合,我們得到了相位退相干時間和自旋軌道散射時間隨平行磁場的變化規(guī)律:前者隨平行磁場的增加而二次方減小,而后者卻二次方增加。同時通過相位退相干時間變化的系數(shù)提取出了電子有效g因子,其值與Sd H振蕩和塞曼效應(yīng)得到的有效g因子一致,由此我們確認(rèn)了AlxGa1-x N/Ga N量子阱系統(tǒng)在平行磁場下的反弱局域效應(yīng)由自旋軌道耦合和塞曼效應(yīng)的競爭主導(dǎo)。(2)選取了兩個不同組分和摻雜的Hg1-xCdx Te樣品,進(jìn)行陽極氧化后形成反型層及二維電子氣,通過實驗測量發(fā)現(xiàn)其反弱局域效應(yīng)分別處于擴(kuò)散輸運和彈道輸運區(qū)域,即樣品分別為弱自旋軌道耦合系統(tǒng)和強(qiáng)自旋軌道耦合系統(tǒng)。通過研究反弱局域效應(yīng)在平行磁場中的變化規(guī)律,采取Golub模型擬合反弱局域效應(yīng),我們得到了相位退相干時間仍然隨平行磁場的增加而二次方減小;然而自旋軌道散射時間隨平行磁場卻無明顯變化,我們認(rèn)為一方面這是由于結(jié)構(gòu)反演不對稱占主導(dǎo)的系統(tǒng)中其變化本來就不太明顯,另一方面是由于系統(tǒng)中的自旋軌道耦合強(qiáng)度比AlxGa1-x N/Ga N量子阱系統(tǒng)要強(qiáng)很多。同時,由相位退相干時間隨平行磁場的變化系數(shù)提取出了有效g因子,其值與Sd H振蕩中自旋分裂峰提取出的值一致,從而將自旋軌道耦合和塞曼效應(yīng)的競爭理論拓展到了強(qiáng)自旋軌道耦合系統(tǒng)中。(3)研究了存在表面粗糙漲落效應(yīng)的Hg1-xCdx Te反型層樣品,發(fā)現(xiàn)此效應(yīng)會導(dǎo)致反弱局域效應(yīng)隨平行磁場的增加先增強(qiáng)然后才減弱。當(dāng)平行磁場較大后,系統(tǒng)表現(xiàn)出如同無表面粗糙漲落效應(yīng)的現(xiàn)象,這時相位退相干時間仍然隨平行磁場的增加而二次方減小。在不同溫度重復(fù)試驗,我們得到了相位退相干時間隨平行磁場的變化系數(shù)不變,有力的驗證了自旋軌道耦合和塞曼效應(yīng)的競爭理論。(4)詳細(xì)研究了Zn O襯底上生長的Mg Zn O薄膜的磁輸運性質(zhì)。一方面發(fā)現(xiàn)樣品存在很強(qiáng)的三維弱局域效應(yīng)。我們采用了Kawabata三維模型和直接通過觀察樣品磁阻的變化速率兩種方法得到了相位相干長度。其從50 K時的38.4±1 nm增加至1.4 K時的99.8±3.6 nm,并且其隨溫度的變化關(guān)系可描述為T3/4-。另一方面,我們在擬合過程中得到了系統(tǒng)的各向異性常數(shù),通過對樣品磁阻的各向異性的細(xì)致研究,我們得出其源自于幾何效應(yīng)和洛倫茲力影響路徑長度效應(yīng),并且發(fā)現(xiàn)其隨著溫度升高減弱,隨著磁場增加增強(qiáng)、且與電流方向有關(guān)。(5)選用了Sr Ti O3作為襯底生長了Hg Te島晶,采用顯微拉曼成像研究發(fā)現(xiàn),大Hg Te島晶的中間厚的部分的拉曼峰的波數(shù)和體材料相同,來自橫模聲子和縱模聲子的拉曼峰的波數(shù)分別為117.1cm-1和137.3cm-1,而邊緣處薄的部分的拉曼峰的波數(shù)會增大,分別為125.8cm-1和144.5cm-1。對其的理論分析發(fā)現(xiàn),這是由Sr Ti O3襯底應(yīng)力帶來的,來自橫模聲子和縱模聲子的拉曼峰的波數(shù)移動之比正好等于來自縱模聲子和橫模聲子的拉曼峰的波數(shù)之比一致。我們希望這可以為將來研究受應(yīng)力Hg Te成為三維拓?fù)浣^緣體創(chuàng)造基礎(chǔ)。
[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.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O471

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本文編號：1817296