可控无序对高迁移率二维电子系统输运性质的影响

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以Ⅲ/Ⅴ族半导体GaAs/AlxGa1-xAs为基础的异质结和超晶格结构不仅有着广泛的器件应用,它们还在基础研究方面为物理学家提供了内涵极为丰富的电子体系。崔琦等人于1982年在GaAs/AlxGa1-xAs二维电子系统样品中发现了分数量子霍尔效应,它揭开了研究凝聚态体系中电子多体作用的新篇章。这个领域在过去近30年中的巨大进展在很大长度上取决于分子束外延技术的不断提高,这为观察各种新的量子态提供了物质基础。但是,最近的实验表明,当样品迁移率足够高时,5/2等分数量子霍尔态质量的好坏与样品的迁移率并没有直接的关联。在理论上,低温下样品的迁移率和分数霍尔态的能隙大小都与样品中的无序有很大的关系。因此,寻找一种方便、可控的方式向样品中引入无序,对我们深入理解超高迁移率材料中无序对电子输运的影响乃至设计下一代质量更高的样品有重要意义。   我们利用聚焦镓离子束辐照的方法向GaAs/AlxGa1-xAs超高迁移率二维电子系统样品中引入程度可控的无序。我们发现辐照对电子浓度的影响很小,但样品迁移率随着辐照剂量的增加而显著减小。我们还通过背底门调节电子的浓度,发现迁移率与电子浓度满足幂次关系μ∝nα,并且幂指数α随着辐照剂量的增加非单调地变化。与辐照前相比,样品在低磁场的磁阻明显变化,其突出特征为正磁阻到负磁阻现象的转变。并且注入不同的剂量时,负磁阻曲线的形状不同。此外,我们还通过Shubnikov-deHaas(SdH)振荡曲线测量来获得不同剂量辐照后的量子寿命。我们发现用这种方法提取得到的量子寿命对辐照剂量的依赖关系与样品迁移率的变化关系有很大不同。我们还用计算机模拟方法估算了辐照镓离子的穿透深度,发现镓离子的注入深度远小于二维电子系统的深度。结合上述所有实验结果以及我们已知的所有描述二维电子系统输运的理论,我们提出,辐照的镓离子既可以带来远程的带电离子散射,也可以向二维电子系统引入强散射中心。这两种散射的相互竞争是造成实验中观察到的复杂电子输运行为的根本因为。
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