Электронный транспорт в наноструктурах с резкими потенциальными границами на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs

Козлов, Дмитрий Андреевич

Электронный транспорт в наноструктурах с резкими потенциальными границами на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Козлов, Дмитрий Андреевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электронный транспорт в наноструктурах с резкими потенциальными границами на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs»

Автореферат диссертации на тему "Электронный транспорт в наноструктурах с резкими потенциальными границами на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs"

4848538

На правах рукописи

Козлов Дмитрий Андреевич

ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В НАНОСТРУКТУРАХ С РЕЗКИМИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ГРАНИЦАМИ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА АЮаАэ^аАз

01.04.10. - физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2011 2 ИЮН 2011

4848538

Работа выполнена в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржа-нова Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Квон Зе Дон

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Энтин Матвей Вульфович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лавров Александр Николаевич

Ведущая организация: Институт физики твердого тела

Российской академии наук, Черноголовка, Московская обл.

Защита состоится 28 июня 2011 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН по адресу 630090, Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников им А. В. Ржанова СО РАН.

Автореферат разослан 1с. мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, г" А. Г. Погосов

доктор физико-математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования квантовых явлений, возникающих при движении электрона в искусственном потенциальном поле, уже более двадцати лет находятся в центре неослабевающего внимания физиков, изучающих конденсированные системы. Во многом это связано с успехами современной полупроводниковой технологии, позволившими создавать самые различные модификации модулированного потенциала, что привело к появлению целого ряда новых квантовых объектов, таких как, к примеру, квантовые проволоки, интерферометры, сверхрешетки и точки. Не менее важен и тот факт, что эффекты, возникающие при взаимодействии электронов с таким потенциалом, оказались неожиданно разнообразными и глубокими.

До настоящего времени практически все эксперименты велись с образцами, в которых характерный масштаб изменения электростатического потенциала существенно превышал длину волны электрона на уровне Ферми. Это было связано с тем, что двумерный электронный газ (ДЭГ) в гетеропереходе АЮаАз/СаАэ, на основе которого изготавливались исследуемые структуры, всегда располагался на значительном (~ 100 нм) расстоянии от ее поверхности, что приводило к образованию краевых областей латерального обеднения такого же порядка. Это обстоятельство сильно ограничивало возможности по дальнейшему уменьшению характерного размера латеральных наноструктур. Что более важно, граничный потенциал оказывался недостаточно резким, чтобы наблюдать яркие интерференционные эффекты. В частности, по этой причине потерпели неудачу первые попытки создать квантовые интерференционные транзисторы [1].

Таким образом, задача получения более резкого граничного потенциала, характерный масштаб изменения которого сравним с длиной волны электрона или меньше ее, является весьма актуальной. Для реализации такого потенциала необходимо существенным образом уменьшить глубину залегания ДЭГ. В недавних работах [А1, 2] было показано, что ДЭГ с относительно высокой подвижностью (1-2 х 105 см2/В-с) можно реализовать при расстоянии 20-25 нм от границы гетероперехода АЮаАв/СаАв до его поверхности.

Использование указанного ДЭГ позволит существенным образом как увеличить резкость потенциала изготавливаемых на его основе структур, так и уменьшить их характерные размеры и создать целый ряд новых модельных квантовых объектов, таких как неадиабатическая квантовая проволока, сверхмалый квантовый интерферометр или короткопериодная латеральная сверхрешетка.

Целью диссертационной работы является всестороннее экспериментальное изучение электронного транспорта в латеральных наноструктурах с резким электростатическим потенциалом, характерный размер изменения которого сравним или меньше длины волны электрона. Реализация такого потенциала позволит заметно продвинуться в направлении уменьшения размера наноструктур, а также, что более важно, может существенным образом повлиять как на квазиклассический транспорт, так и усилить эффекты квантовой интерференции. Решение указанной задачи было проведено на основе экспериментального исследования следующих объектов: 1) короткой баллистической проволоки с неадиабатическими границами; 2) сверхмалого (радиус яз 70 нм) кольцевого интерферометра Ааронова-Бома; 3) короткопе-риодных латеральных сверхрешеток антиточек с периодом 180 нм и 80 нм.

Научная новизна работы состоит в том, что все исследуемые объекты впервые были изготовлены на основе высокоподвижного ДЭГ в гетеропереходе AlGaAs/GaAs с малой (25 нм) глубиной залегания. Как следствие, изготовленные структуры обладали существенно большей резкостью электростатического потенциала, чем в предыдущих работах: удалось достичь характерного масштаба изменения потенциала, сравнимого с длиной волны электрона. Такой переход позволил приблизить реальные структуры к модельным (с бесконечными вертикальными стенками и идеальной резкостью потенциала) и произвести непосредственное экспериментальное исследование влияния резкости на электронный транспорт. В частности, в исследуемых структурах впервые были обнаружены следующие эффекты:

• Разрушение квантования кондактанса в короткой баллистической проволоке с неадиабатическими границами

• Возникновение Л/пе-квазигармоник осцилляций Ааронова-Бома с большими (более 40) номерами в малых кольцевых интерферометрах (эфф. радиус 65 — 70 нм). Ранее наблюдаемые квазигармоники характеризовались только п = 2 — 4.

• В сверхрешетке антиточек с периодом 180 нм впервые одновременно наблюдались классические и квантовые осцилляции в слабых и сильных магнитных полях. Было показано, что поведение как квазиклассических пиков магнитосопротивления, так и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит не только от периода решетки и размера антиточек, но также от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка. Впервые была реализована и исследована сверхрешетка антиточек с рекордно малым периодом 80 нм. В ней были обнаружены аномальные осцилляции Шубникова-де Гааза, а также аномальный квазиклассический пик магнитосопротивления.

Научная и практическая ценность работы. В диссертации обнаружены различные эффекты, возникающие в условиях, когда масштаб характерного изменения электростатического потенциала сравним или меньше дебройлевской длиной волны электрона. Исследованные эффекты важны не только для фундаментальной физики низкоразмерных электронных систем, но и с практической точки зрения, поскольку влияние резкости потенциала на транспорт неизбежно придется учитывать при дальнейшем уменьшении размеров любых электронных устройств на основе полупроводниковых гетеропереходов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Неадиабатичность баллистической квантовой проволоки приводит к подавлению квантования кондактанса и к возникновению ярко выраженных интерференционных эффектов, обусловленных как когерентным рассеянием на краях проволоки (интерференция Фабри-Перо), так и на случайных примесях (мезоскопическая интерференция), расположенных в областях ДЭГ, прилегающих к выходам проволоки.

2. В квазибаллистических кольцах сверхмалого размера, (эффективный радиус г = 60 нм-75 нм) благодаря тому, что размер квантовых точек на входе и выходе кольца уже сравним с длиной волны электрона, возникает многократное обратное рассеяние электронных волн. Это многократное рассеяние приводит к возникновению сверхвысоких h/ne квазигармоник осцилляций Ааронова-Бома с номерами п, достигающими значений п = 40 — 45.

3. В сверхрешетках антиточек поведение квазиклассических пиков маг-нитосопротивления и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка.

4. В магнитосопротивлении сверхрешетки антиточек с рекордно малым периодом 80 нм имеется аномальный квазиклассический пик магнитосопротивлении, предположительно обусловленный эффектами немонотонного рассеяния. Осцилляций Шубникова-де Газа в этой сверхрешетке имеют необычный переход от аномального периода, постоянного по магнитному полю, к нормальному - постоянному по обратному магнитному полю. Поведение аномальных осцилляций связано с влиянием модулирующего потенциала антиточек на неоднородное уширение уровней Ландау.

Апробация работы. Основные результаты докладывались как на семинарах Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, так и на следующих конференциях:

1. VII Российская конференция по физике полупроводников. (Москва, 2005.)

2. XLV Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс". (Новосибирск, 2006.)

3. VIII Российская конференция по физике полупроводников. (Екатеринбург, 2007.)

4. 14th International Conference on Modulated Semiconductor Structures. (Kobe, Japan, 2009.)

5. IX Российская конференция по физике полупроводников. (Новосибирск, 2009.)

6. XVIII Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. (Екатеринбург, 2010.)

7. The 19th International Conference on the Application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics and Nanotechnology. (Fukuoka, Japan, 2010.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах (Физика и техника полупроводников, Письма в ЖЭТФ, Solid State Communications и др.). Полный список работ представлен в специальном разделе в конце автореферата.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач, проведении магнитотранспортных измерений, проведении компьютерного моделирования, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, написании научных статей и подготовке их к публикации.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения (включающего обзор литературы), трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем составляет 118 машинописных страниц, в том числе титульный лист, 28 иллюстраций, 1 таблица и список литературы из 93 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена как общая информация, дающая краткое представление об актуальности исследования, так и более подробный литературный обзор, разбитый на несколько параграфов. В первом параграфе обзора рассматриваются основные свойства высокоподвижного ДЭГ в гетеропереходе AlGaAs/GaAs со стандартной глубиной залегания 50-100 нм. В

следующем параграфе рассказывается об экспериментах с квантовыми проволоками и кратко излагается теория Бюттикера-Ландауэра, в рамках которой возникает квантование кондактанса баллистических проволок и интерферометров. В третьем параграфе в хронологическом порядке приводится обзор экспериментальных и теоретических работ по кольцевых интерферометрам. Завершает введение параграф, посвященный исследованиям латеральных сверхрешеток антиточек. В заключение каждого параграфа формулируется постановка одной из задач диссертационной работы.

Первая глава посвящена описанию экспериментальных образцов и методики измерений. В первом параграфе обсуждается основа всех исследуемых структур - ДЭГ в гетеропереходе АЮаАв/СаАз с малой (15-30 нм) глубиной залегания. С одной стороны, его свойства в значительной степени отличаются от таковых для стандартного ДЭГ из-за сильного влияния поверхности как Рис. 1: Расчетный профиль потенциала на концентрацию двумерных элек-

сверхрешегки антиточек с периодом а = троНов, так и на их рассеяние. С дру-

200 нм доя двух глубин залегания ДЭГ с1,, .

гой, при уменьшении глубины зале-

равных 25 и 100 нм.

гания усиливаются эффекты экранирования рассеивающего потенциала подвижными электронами в металлическом затворе.

Чтобы подчеркнуть важность малой глубины залегания, во втором параграфе представлены результаты трехмерного расчета электростатического потенциала в приближении Хартри ячейки сверхрешетки антиточек с периодом 200 нм для двух глубин залегания йа, равных 25 и 100нм (рис.1). Расчет убедительно демонстрирует сильную зависимость резкости границы ДЭГ-антиточка от этого параметра.

(в направлении [100]с&ерхрешетки актиточек)

Экспериментальные образцы представляли собой 10-контактные холлов-ские мостики размером 50 х 100 + 250 +100 /ш. Наноструктурирование проводилось на одном из 4-х контактных мостиков, в то время как остальные служили для контроля параметров ДЭГ, а также для сравнительного анализа модулированной и немодулированной частей образца. При необходимости на образец напылялся металлический Тг Ам-затвор.

Во второй главе представлены результаты магнитотранспортных измерений баллистических проволок двух типов и кольцевого интерферометра малых размеров.

Для экспериментального исследования были изготовлены проволоки двух типов: одна с плавными границами, т.е. имеющая адиабатическое согласование [3] с прилегающим ДЭГ, и с резкими границами, т.е. неадиабатическая. Адиабатическая проволока была изготовлена с помощью технологии локального анодного окисления иглой атомно-силового микроскопа (АСМ), а неадиаба-

г, п „ , тическая с помощью электронной

гис. 2: Зависимость кондактанса G(Va) от

затворного напряжения Vg для двух типов литографии высокого разрешения проволок для двух реализаций случайного и последующего плазмохимического потенциала. травления. В случае адиабатической

проволоки краевые области обеднения выражены значительно сильнее, чем для неадиабатической, и электростатический потенциал является сглаженным. Как видно из рис.2, это различие приводит к принципиально различному поведению кондактанса G проволок в зависимости от затворного напряжения Vg.

На зависимости G(Vg) для длинной адиабатической проволоки отчетливо видны особенности, связанные с квантованием кондактанса и соответству-

-0.20

-0.15

-0.10

Ve(B)

-0.05

0.00

ющие значениям N х 2е2/Л (./V = 1 и 2), причем для N = 1 наблюдается хорошо выраженное плато. Зависимость же для короткой проволоки

с резкими границами является плавной и монотонной, и на ней не наблюдается никаких плато, несмотря на то, что ее длина существенно меньше и, соответственно, условие ^г > Ь выполняется в ней намного лучше. Более внимательный анализ указанных зависимостей и также по-

казывает, что для проволоки с резкими границами наблюдаются заметные флуктуации кондактанса, имеющие средний период по затворному напряжению У3 несколько милливольт, тогда как на более длинной проволоке с плавными границами они не видны. Таким образом, рис.2 позволяет сделать определенный вывод о том, что нарушение адиабатичности и уменьшение длины проволоки, во-первых, разрушает квантование кондактанса, во-вторых, приводит к возникновению флуктуаций на зависимости С (Уд).

Рис. 3". Зависимость флуктуаций кондактанса неадиабатической квантовой проволоки от затворного напряжения <5Сеь(1^,) при различных температурах (0.2, 0.7, 1.4 и 2.0 К) (а) и Фурье-спектр этих флуктуаций (Ь).

Рис.3,а показывает, как амплитуда флуктуаций 50(Уд) = С8ь(Ц)— < Свъ(Уд) > меняется с понижением температуры от 2 К до 0.2 К: хорошо видно, что она растет существенным образом. Это говорит об интерференционной природе этих осцилляций. На Фурье-спектре этих осцилляций (рис.3,Ь) наблюдаются три характерных области частот: два пика, соответствующие

наибольшему периоду около 70 мВ (пик №1 спектра на рис.З,Ь) и среднему, равному приблизительно 15 мВ (пик №2), и широкий участок малых характерных периодов (2-8 мВ, участок №3). Существование описанных выше трех областей частот позволяет построить следующую картину интерференции. Наибольший период (около 70 мВ), соответствует смене заполняемых подзон проволоки - это все, что осталось от квантования кондактанса. Высокочастотная случайная компонента связана с когерентным рассеянием электронов, выходящих из проволоки, на случайных примесях, расположенных в областях ДЭГ, прилегающих к проволоке. И, наконец, осцилляции с периодом около 15 мВ, дающим характерный размер, близкий к 100 нм, являются наиболее интересными, так как 100 нм - это величина, близкая к эффективной длине проволоки. Указанный факт позволяет предположить, что они обусловлены интерференцией Фабри-Перо электронных волн, проходящих через проволоку и рассеивающихся на ее резких границах.

Во втором параграфе второй главы описаны результаты магнитотранс-портных измерений для кольцевого интерферометра. Интерферометр был изготовлен с помощью электронной литографии и последующего быстрого плазмохимического травления. Образец имел металлический затвор. Параметры ДЭГ составляли ц — 5 х 104 - 105см2/В-с при концентрации

= (5 — 8) х Ю11 см'2 с соответствующей длиной свободного пробега 0.5 мкм—1.5мкм.

На рис.4,а показаны зависимости сопротивления кольца от затворного напряжения ЩУд) в нулевом магнитном поле. На этой зависимости хорошо видны особенности в виде квазиплато. Осцилляции Ааронова-Бома (АБ) исследуемого кольца хорошо различимы на зависимости Я(В) при Уд = 100 мВ (рис.4,Ь), а их Фурье-спектр приведен на рис.4,с. Главный пик этого спектра дает период АБ осцилляций, равный 0.28 Т, что соответствует эффективному радиусу г = 68 нм. Столь малый радиус достигнут впервые для полупроводниковых кольцевых интерферометров, изготовляемых на основе высокоподвижного ДЭГ. До последнего времени наименьший эффективный радиус г = 90 нм был получен для колец [4].

Рис. 4: Зависимости сопротивления кольца от затворного напряжения и магнитного поля: (а) зависимость R(VS) (при В = 0 и Г = 1.45 К); (Ь) зависимость R(B) (Vs = 100мВ, Т = 1.45К); (с) Фурье-спектр осцилляций Д(/в), рассчитанный для диапазона -1...1 Тл; (d) тот же спектр, рассчитанный в диапазоне -0.2...0.2Тл.

В слабых магнитных полях до 0.2 Т на зависимости R(B) (рис.4,b) видна еще одна особенность: квазипериодические осцилляции, средний период которых по магнитному полю почти на порядок меньше основного периода АБ осцилляций. Фурье-спектр этих осцилляций (pnc.4,d) показывает, что эти осцилляции имеют период 0.04 Т, то есть соответствуют h/ne гармоникам с номером п = 7. До настоящей работы в квазибаллистических кольцах наблюдались только hf2е [1, 5] гармоники АБ осцилляций в слабых магнитных полях. Существование /г/2е-осцилляций может быть вызвано как эффектом Альтшулера-Аронова-Спивака [6], так и их возникновением в узлах биений АБ осцилляций [5], связанных с конечной шириной проводящих рукавов интерферометра. Но оба названных эффекта не в состоянии объяснить даже существования квазигармоник с номером 3 и 4, не говоря уже о номерах п > 4.

Процессы многократного рассеяния в кольце, формирующие характерные заметаемые интерферирующими траекториями площади, большие, чем площадь кольца, также могут привести к появлению гармоник. В подтверждение модели многократного рассеяния служит температурная зависи-

мость амплитуды гармоник. Амплитуда гармоники с номером ть = 10 спадает с увеличением температуры примерно в 5 раз быстрее, чем основная гармоника n = 1. Кроме этого, сверхвысокие гармоники АБ чрезвычайно чувствительны к реализации случайного потенциала: в зависимости от затворного напряжения изменяется не только амплитуда гармоник, но и их спектр. К примеру, при Vg = 50 мВ существует целый набор гармоник с га = 7-35, при Vg = 100 мВ этот набор еще богаче и содержит п = 4-45, а при Vg = 150 мВ наблюдаются только гармоники с п = 5 — 10.

Третья глава посвящена экспериментальным результатам, полученным в сверхрешетках антиточек. Сверхрешетки с периодом 180 нм (литографический диаметр 40-50 нм) и 80 нм (диаметр 20-40 нм) были изготовлены с помощью электронной литографии и последующего плазмохимического травления на глубину 5-10 нм. В качестве основы использовался ДЭГ с такой же глубиной залегания, как и в случае квантовых проволок и интерферометра, но с более высокой подвижностью. В зависимости от подсветки образца параметры ДЭГ были следующими: п3 = (0.65 — 0.87) х 1012 см-2, ¡1 — (2.55 — 2.65) х 105см2/В-с с соответствующими длинами свободного пробега /(г = 3.3 — 3.95 мкм.

Первый параграф третьей главы посвящен сверхрешетке антиточек с периодом а = 180 нм. Магнитосопротивление этой сверхрешетки для четырёх различных состояний образца представлено на рис.5,а. Все кривые на рис.5 отмечены цифрами, соответствующими номерам состояний. Самое высоко-омное состояние №1 образовалось в отсутствие подсветки и имеет сопротивление рхх — 2.6 кОм при В = 0. Состояния 2-4 получены путем кратковременной подсветки состояния с предыдущим номером. Самое низкоомное состояние 4 образуется после максимальной подсветки и имеет сопротивление рхх = 1.1 кОм. Дальнейшая подсветка не уменьшает сопротивление образца, что свидетельствует о полной ионизации доноров. На этом же рисунке тонкой линией представлено магнитосопротивление немодулированной части образца, увеличенное для наглядности по вертикали в 10 раз. Даже в самом низкоомном состоянии сопротивление сверхрешетки антиточек почти

В( Тл)

-3-2-10 1 2 3

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 1.0 1.5 2.0

в (т.л) е(Тл)

Рис. 5: Магнитосопротивление сверхрешетки антиточек с периодом 180нм: (а) зависимости рхх(В) для различных состояний образца с отмеченными прямоугольниками областями слабых и сильных магнитных полей, а также магнитосопротивление немоду-лированной части образца (тонкая линия, увеличено в 10 раз); (Ь) осцилляции магни-тосопротивления (после вычета монотонной составляющей) в слабых магнитных полях при Т = 0.2... 0.22 К для различных состояний образца; (с) осцилляции магнитосопро-тивления в сильном магнитном поле при Т — 0.5 К в различных состояниях образца.

на 1.5 порядка больше сопротивления смодулированной части, что говорит о доминировании рассеяния на антиточках над рассеянием на примесях.

Измеренные зависимости (рис.5,а) демонстрируют два соизмеримых пика магнитосопротивления (СПМС): основной, соответствующий условию (2.07 — 2.12) х Яс = а и расположенный при В = 1.5...2Тл, и значительно меньший по величине, соответствующий условию Яс = (1.8 — 1.9) х а (при В и 0.5 Тл). Как и следовало ожидать, при подсветке его относительная величина растет, а его максимум сдвигается в сторону больших магнитных полей, что обусловлено ростом концентрации на 30 %. Наличие подобных пиков

- одно из основных и фундаментальных свойств ДЭГ в решетке антиточек, и они наблюдались во множестве экспериментов [7, 8, 9, 10, 11]. Но если положение основного пика на рис.5,а совпадает с предыдущими результатами, то в положении второго наблюдается заметное разногласие: во всех предшествующих экспериментах его положение дается условием Яс = (1.5 — 1.6) х о. Следует заметить, что его положение плохо описывается теорией идеального биллиарда Синая как в модели локализованных ("пинбольных"[7]) траекторий, так и в модели делокализованных (убегающих [12]) траекторий. В то же время модель убегающих траекторий предсказывает заметный СПМС, соответствующий условию Яс = (1.8 — 2.1) х а и значительно лучше согласующийся с данными на рис.5,а. Подобный факт позволяет сделать вывод, что, во-первых, СПМС на рис.5 описываются только моделью "убе-гающих"траекторий. Во-вторых, в исследуемых образцах впервые удалось реализовать достаточно резкий потенциал на границе ДЭГ-антиточка и тем самым приблизить их поведение к модели биллиарда с резкими стенками.

Проанализируем теперь интерференционные особенности в поведении решетки. Начнем с анализа осцилляций (представлены на рис.5,Ь после фильтрации монотонной части) в слабых магнитных полях. В работах [9, 13] было показано, что они являются осцилляциями Альтшулера-Аронова-Спивака [6], возникающими в результате интерференции на самопересекающихся траекториях в квадратной решетке рассеивателей. Период этих осцилляций показывает, что он, как и должно быть, соответствует квантованию потока к/2е через площадь элементарной ячейки решетки.

На рис.5,с показаны квантовые осцилляции (после вычета монотонной части), соответствующие области основного соизмеримого пика. Впервые эти осцилляции наблюдались в [14] и объяснялись квантованием циклотронных орбит вокруг антиточек [15]. В данной диссертации удалось обнаружить сильную зависимость амплитуды этих осцилляций от магнитного поля вблизи соизмеримого пика, свидетельствующую о строгом разграничении траекторий вокруг антиточек и сталкивающихся с ними, как раз благодаря резкости границы антиточка-ДЭГ. Как и следовало ожидать, наиболее ярко этот

4400

1200

1000

2. 800 9

600 400 200

Рис. 6: Магнитосопротивление сверхрешетки антиточек с периодом 80 нм для трех различных состояний образца в диапазоне температур от 0.25 К до 20 К. Стрелками обозначены соизмеримые пики (СПМС) и осцилляции Шубникова-де Гааза (ШдГ).

эффект виден для самого высокоомного состояния образца, когда, фактически, реализуется состояние с самым большим размером антиточек (кривая 1 на рис.5,с) и когда их период практически постоянен по магнитному полю в соответствии с теорией [15]. В более низкоомных состояниях (кривая 4) их период уже сильно отклоняется от постоянного, так как размер антиточек в этих состояниях меньше.

Во втором параграфе описаны результаты, полученные при экспериментальном исследовании 80-нм сверхрешетки антиточек. На рис.6 показаны зависимости магнитосопротивления этой сверхрешетки в широком диапазоне температур для трех состояний образца. Состояния, также как и в случае предыдущей сверхрешетки, менялись подсветкой.

При высоких температурах на зависимостях рхх(В) наблюдаются два пика СПМС, первый из которых находится в диапазоне магнитных полей 2.8-3.5 Тл, а второй расположен в районе 1Тл. Основной соизмеримый пик, хорошо соответствует условию 2 х Дс = а для всех состояний образца. При дальнейшем увеличении магнитного поля сразу после основной соизмеримой осцилляции возникает хорошо выраженный режим КЭХ. Столь резкий переход от квазиклассических пиков МС к КЭХ наблюдается впервые и как

раз благодаря рекордно малому периоду решетки. Положение второго пика нельзя описать каким-либо условием соизмеримости между циклотронным радиусом и периодом решетки, и он имеет какую-то другую природу.

Поведение решетки в самом низкоомном состоянии 3 (рис.6,с) существенным образом отличается от свойств первых двух состояний. В нём возникает аномальное поведение шубниковских осцилляций в области магнитных полей 0.5 — 2 Т. Аномальные осцилляции удалось обнаружить как раз благодаря реализации рекордно малого (80 нм) периода сверхрешетки, позволившей изучать ситуацию, когда шубниковские осцилляции хорошо выражены при условии Лс о, а амплитуда модулирующего потенциала меняется от и > Ер до [I < Ер. В состоянии 1 в этом диапазоне магнитных полей осцилляции отсутствуют даже при минимальной температуре. При переходе к состоянию 2 (рис.6,Ь), в котором концентрация электронов в 1.6 раза выше, они, как и следовало ожидать, появляются вследствие резкого увеличения квантового времени, вызванного уменьшением неоднородности Л^ после подсветки. Однако при переходе от состояния 2 к состоянию 3 (рис.6,с), несмотря на почти двукратное увеличение подвижности и при незначительном изменении концентрации, наблюдается почти полное подавление этих осцилляций. Кроме этого, осцилляции в третьем состоянии демонстрируют аномальное отклонение периода осцилляций Шубникова-де Гааза от константы в шкале обратного магнитного поля при В <2 Тл.

Отличительной чертой найденных осцилляций является то, что они возникают в диапазоне магнитных полей соответствующих не основному СПМС, а в значительно меньших полях. При этом циклотронная орбита охватывает сразу значительное число антиточек (в данном случае около 10) и, таким образом, период описываемых осцилляций никак не связан с периодом решетки. Еще одной отличительной особенностью является их плавный переход к обычным осцилляциям Шубникова-де Газа в сильных магнитных полях, причем такой переход не связан уже с условием 2 х До = а, а определяется игрой амплитуды модулирующего потенциала и циклотронной энергии.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Впервые проведено экспериментальное исследование нарушения условия адиабатичности на квантование баллистического кондактанса. Обнаружено, что в короткой квантовой проволоке с резкими границами отсутствие указанного условия приводит к практически полному разрушению плато квантования кондактанса. Вместо этого наблюдаются ярко выраженные интерференционные эффекты, обусловленные как когерентным рассеянием на краях проволоки (интерференция Фабри-Перо), так и на случайных примесях (мезоскопическая интерференция), расположенных в областях ДЭГ, прилегающих к выходам проволоки.

2. В квазибаллистических кольцах малых размеров (эффективный радиус г = 60нм-75нм) обнаружены сверхвысокие к/пе квазигармоники осцилляций Ааронова-Бома с номерами п, достигающими значений п — 40 — 45. Обнаружение столь высоких квазигармоник является прямым экспериментальным свидетельством существования в реальных рассеивающих системах с характерным размером порядка длины волны электрона процессов многократного обратного рассеяния электронных волн.

3. Экспериментально исследовано поведение магнитосопротивления сверхрешеток антиточек с периодом 180 нм и 80 нм. Показано, что поведение как квазиклассических пиков магнитосопротивления, так и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит не только от периода решетки и размера антиточек, но также от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка. В сверхрешетке антиточек с рекордно малым периодом 80 нм обнаружен целый ряд новых особенностей в поведении магнитосопротивления: 1) аномальный квазиклассический пик магнитосопротивления, обусловленный эффектами немонотонного рассеяния, 2) необычный переход в поведении осцилляций Шубникова-де Газа от аномального периода, постоянного по магнитному полю, к

нормальному - постоянному по обратному магнитному полю, 3) эффект возгорания и подавления шубниковских осцилляций, вызванный трансформацией короткодействующего и дальнодействующего рассеивающих потенциалов в решетке при изменении концентрации двумерных электронов.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

Статьи

[А1] Козлов Д. А. Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходе АЮаАв/ваАз со сверхтонкими слоями АЮаАз / Д. А. Козлов, З.Д. Квон, А. К. Калагин, А. И. Торопов // Физика и техника полупроводников 41 (2), с. 186-189 (2007).

[А2] Козлов Д. А. Интерференционные эффекты в кондактансе квантовых проволок / Д.А. Козлов, З.Д. Квон // Вестник НГУ. Серия: Физика, вып. 3, с.72-75 (2007).

[АЗ] Козлов Д. А. Кондактанс коротких квантовых проволок с резкими границами /

Д.А. Козлов, З.Д. Квон, А. Е. Плотников, Д.В. Щеглов, A.B. Латышев // Письма

в ЖЭТФ 86 (10) стр. 752-756 (2007). [A4] Kvon Z. D. Ultra-high Aharonov-Bohm oscillations harmonics in a small ring

interferometer / Z. D. Kvon, D. A. Kozlov, E. B. Olshanetsky, A. E. Plotnikov,

A.V. Latyshev, J.C. Portal // Solid State Communications 147, p. 230-233 (2008).

[A5] Козлов Д. А. Квазиклассический и квантовый транспорт в двумерном электронном газе с решеткой антиточек, имеющих резкие границы / Д. А. Козлов, З.Д. Квон, [А. Е. Плотников! // Письма в ЖЭТФ 89 (2), с.89-93 (2009).

[А6] Козлов ДА. Двумерный электронный газ в решетке антиточек с периодом 80нм

/ Д.А. Козлов, З.Д. Квон, А.Е. Плотников, A.B. Латышев // Письма в ЖЭТФ 91 (3), с. 145-149 (2010).

Тезисы коференций

[А7] Козлов Д. А. Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходе AlGaAs/GaAs со сверхтонкими слоями AlGaAs / ДА. Козлов, З.Д. Квон, А. К. Калагин, А. И. Торопов // VII Российская конференция по физике полупроводников: Тезисы докл., с. 54. Москва, 2005.

[А8] Козлов Д. А. Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходе AlGaAs/GaAs со сверхтонкими слоями AlGaAs Ц XLIV Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс": Физика, тезисы докл., с. 121. Новосибирск, 2006.

[А9] Козлов Д. А. Интерференционные эффекты в кондактансе квантовых проволок // XLV Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс": Физика, тезисы докл., с 106, Новосибирск, 2006.

(А10] Козлов Д. А. Разрушение квантования кондактанса в коротких баллистических проволоках с резкими границами // VIII Российская конференция по физике полупроводников "ПОЛУПРОВОДНИКИ-2007тезисы докл., Екатеринбург, 2007.

[All) Kozlov D. A. Semiclassical and quantum transport in the 2D electron gas in a hard-wall antidot lattice // D. A. Kozlov, Z.D. Kvon, А.Б. Plotnikov // Proceedings of MSS-14 Conference, Kobe, Japan (2009).

[A12] Козлов Д. А. Квазиклассический и квантовый транспорт в двумерном электронном газе с решеткой антиточек, имеющих резкие границы / Д. А. Козлов, 3. Д. Квон, А. Е. Плотников //XI Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-2009 тезисы докл., Новосибирск, 2009.

[А13] Козлов Д. А. Двумерный электронный газ в решетке антиточек с периодом 180 и 80нм. / ДА. Козлов, З.Д. Квон, А.Е. Плотников, А.В. Латышев // XVIII Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, тезисы докл., с. 110-Ш. Екатеринбург, 2010.

[А14] Kozlov D. A. Semiclassical and quantum transport in the two-dimensional electron gas in an antidot lattices with periods of 180 nm and 80 nm / D.A. Kozlov, Z.D. Kvon, A.E. Plotnikov, and A.V. Latyshev // Proceedings of HMF-19 Conference, Fukouka, Japan, 2010.

Список цитируемой литературы

[1] Ford С. J. В. Gated, asymmetric rings as tunable electron interferometers C. J. B. Ford, A. B. Fowler, J. M. Hong, С. M. Knoedler, S. E. Laux, J. J. Wainer and S. Washburn // Surf. Science 229, 307 (1990).

[2] Amasha S. Hondo temperature dependence of the Hondo splitting in a single-electron transistor / S. Amasha, I.J. Gelfand, M.A. Kastner, and A. Kogan // Phys. Rev. В 72, 045308 (2005).

[3] Глазман Л. И. Безотражательный квантовый транспорт и фундаментальные ступени баллистического сопротивления в микросужениях / Л. И. Глазман, Г. Б. Лесовик, Д. Е. Хмельницкий, Р. И. Шехтер //Письма в ЖЭТФ48(4), 218 (1988).

[4] Ольшанецкий В. В. Температурная зависимость осцшшщий Ааронова-Бома в малых квазибаллистических интерферометрах. / Е. Б. Ольшанецкий, З.Д. Квон, Д. В. Щеглов, A.B. Латышев, А.И. Торопов, Ж.К. Портал//Письма в ЖЭТФ 81, 762 (2005).

[5] Быков A.A. Квазибаллистический электронный интерферометр / A.A. Быков, З.Д. Квон, Е.В. Ольшанецкий, Л.В. Литвин, Ю.В. Настаушев, В.Г. Мансуров, В. П. Мигаль, С. П. Мощенко, В. Г. Плюхин // Письма в ЖЭТФ57, 596 (1993)

[6] Альтшуллер Б. Л .Эффект Ааронова-Бома в неупорядоченных проводниках / Б. Л. Альтшуллер, А. Г. Аронов, Б. 3. Спивак // Письма в ЖЭТФ 33 (2), 101 (1981).

[7] Weiss D. Electron Pinball and Commensurate Orbits in a Periodic Array of Scatterers / D. Weiss, M. L. Roukes, A. Mesching, P. Grambow, K. von Klitzig, and G. Weinmann //Phys.Rev.Letteis 66, 2790 (1991)

[8] Lorke A. Magnetotransport in two-dimensional lateral superlattices / Lorke A., J.P. Kotthaus, and K. Ploog// Phys. Rev. В 44, 3447 (1991).

[9] Гусев 3. Д. Осцилляции Ааронова-Бома в двумерном электронном газе с периодической решеткой рассеивателей/Г.М. Гусев, З.Д. Квон, Л.В. Литвин, Ю.В. Настаушев, А. К. Калагин и А. И. Торопов//Письма в ЖЭТФ 55, 129 (1992).

[10] Tsukagoshi К. Commensurability oscillations by runaway and pinned electrons. / K. Tsukagoshi, T. Nagao, M. Haraguchi, K. Murase and K. Gamo // Superlat. and Microstr. 23, 493 (1998).

[11] Dora. A. Interplay between the periodic potential modulation and random background scatterers in an antidot lattice / A. Dom, E. Bieri, T. Ihn, К. Ensslin, D. D. Driscoll, and A.C. Gossard // Phys. Rev. В 71, 035343 (2005).

[12] Баскин Э. M. Стохастическая динамика двумерных электронов в периодической решетке антиточек / Э. М. Баскин, Г. М. Гусев, З.Д. Квон, А. Г. Погосов и М. В. Эн-тин // Письма в ЖЭТФ 55, 649 (1992).'

[13] Гусев Г. М. Эффекты слабой локализации в электронных биллиардах / Г. М. Гусев, З.Д. Квон, А.Г. Погосов и П. Басмажи / ЖЭТФ 110, 696 (1996).

[14] Weiss D. Quantized periodic orbits in large antidot array / D. Weiss, K. Richter, A. Menschig, R. Bergmann, H. Schweizer, K. von Klitzing and G. Weimann //Phys. Rev. Lett. 70, 4118 (1993).

[15] Hackenbroich G. Periodic-orbit theory of quantum transport in antidot lattices / G. Hackenbroich, F von Oppen//Europhysics Letters 29, 151 (1995).

КОЗЛОВ ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В НАНОСТРУКТУРАХ С РЕЗКИМИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ГРАНИЦАМИ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА АЮаА^ОаАз

Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Подписано в печать 16.05.2011. Заказ №57. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии Института катализа СО РАН 630090 Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 5

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Козлов, Дмитрий Андреевич

1 Введение и обзор литературы

1.1 Введение.

1.2 Двумерный электронный газ в гетеропереходе АШаЛв/СаАв

1.2.1 Гетеропереход АЮаАв/СаАв как удобный полигон для изготовления наноструктур.

1.2.2 Уменьшение глубины залегания ДЭГ.

1.3 Квантовые проволоки.

1.3.1 Баллистический и квантовый транспорт.

1.3.2 Причины квантования кондактанса. Модель электронного волновода.

1.3.3 Одномерная модель Бюттикера-Ландауэра.

1.3.4 Причины разрушения квантования.

1.4 Кольцевые интерферометры

1.5 Сверхрешетки антиточек.

2 Образцы и методика эксперимента

2.1 Высокоподвижный двумерный электронный газ в гетеропереходе АЮаАз/ОаАв с малой глубиной залегания

2.1.1 Основные свойства.

2.1.2 Влияние затвора на параметры ДЭГ с малой глубиной залегания.

2.2 Технологии модификации поверхности.

2.3 Влияние глубины залегания ДЭГ на электростатический потенциал изготавливаемых структур.

2.4 Методика низкотемпературного эксперимента .61 I

2.4.1 Измерение сопротивления методом фазочувствительного детектирования.

3 Экспериментальные результаты измерения электронного транспорта в одномерных структурах

3.1 Транспорт в баллистических неадиабатических проволоках с резкими границами.

3.2 Эффект многократного отражения в баллистическом интерферометре

4 Электронный транспорт в сверхрешетках антиточек

4.1 Сверхрешетки антиточек с резкими границами с периодом 180200 нм.

4.2 Сверхрешетки антиточек с резкими границами с периодом 80 нм

Введение диссертация по физике, на тему "Электронный транспорт в наноструктурах с резкими потенциальными границами на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs"

1.1 Введение

Исследования квантовых явлений, возникающих при движении электрона в искусственном потенциальном поле, уже более двадцати лет находятся в центре неослабевающего внимания физиков, изучающих конденсированные системы. Во многом это связано с успехами современной полупроводниковой технологии, позволившими создавать самые различные модификации модулированного потенциала, что привело к появлению целого ряда новых квантовых объектов, таких как, к примеру, квантовые проволоки, интерферометры, сверхрешетки и точки. Не менее важен и> тот факт, что эффекты, возникающие при взаимодействии электронов с таким потенциалом, оказались неожиданно разнообразными и глубокими. Достаточно вспомнить квантование кондактанса баллистической проволоки, осцилляции Ааронова-Бома в кольцах и кулоновскую блокаду в квантовых точках. Электронные системы, помещенные в тот или иной заданный потенциал, являются настоящим полигоном физики конденсированного состояния. В этих системах эффекты, обусловленные квантовой интерференцией и электрон-электронным взаимодействием, проявляются в наиболее ярком виде.

До настоящего времени практически все эксперименты велись с образцами, в которых характерный масштаб изменения электростатического потенциала значительно превышал длину волны электрона на уровне Ферми, равной (20—70 нм) в наиболее часто используемом диапазоне (1011—1012 см-2) концентрации двумерных электронов. Это было связано с тем, что двумерный электронный газ (ДЭГ) в гетеропереходе АЮаАв/ОаАв, на основе которого изготавливались исследуемые структуры, всегда располагался на значительном (в, ~ 100 нм) расстоянии от ее поверхности, что приводило к образованию областей латерального обеднения такого же порядка. В этих структурах интерференционные эффекты были подавлены плавностью потенциала.

В данный момент одним из самых интересных продолжений описанного направления исследований является переход к изучению взаимодействия электрона с модулированным потенциалом, характерный масштаб изменения которого сравним с длиной волны электрона. Увеличение резкости потенциала приведет к усилению всех интерференционных эффектов, однако очевидно, что для реализации такого потенциала необходимо существенным образом уменьшить глубину залегания ДЭГ. В недавних работах [А1, 1] было показано, что ДЭГ с относительно высокой подвижностью (1-2 х 105 см2/В-с) можно реализовать при расстоянии 20-25 нм от границы гетероперехода АЮаАэ/СаАз до его поверхности. Использование указанного ДЭГ позволит существенным образом увеличить резкость потенциала изготавливаемых на его основе структур и создать целый ряд новых модельных квантовых объектов, таких как неадиабатическая квантовая проволока, сверхмалый квантовый интерферометр или латеральная сверхрешетка, и на основе этого изучить новые особенности и проявления как квантовой интерференции, так и взаимодействия между электронами.

Целью диссертационной работы является всестороннее экспериментальное изучение электронного транспорта в латеральных наноструктурах с резким электростатическим потенциалом, характерный размер изменения которого сравним или меньше длины волны электрона. Реализация такого потенциала позволит заметно продвинуться в направлении уменьшения размера наноструктур, а также, что более важно, может существенным образом повлиять как на квазиклассический транспорт, так и усилить эффекты квантовой интерференции. Решение указанной задачи было проведено на основе экспериментального исследования следующих объектов: 1) короткой баллистической проволоки с неадиабатическими границами; 2) сверхмалого (радиус ~ 70 нм) кольцевого интерферометра Ааронова-Бома; 3) короткопериодных латеральных сверхрешеток антиточек с периодом 180 нм и 80 нм.

• Разрушение квантования кондактанса в короткой баллистической проволоке с неадиабатическими границами

• Возникновение /¿/ne-квазигармоник осцилляций Ааронова-Бома с большими (более 40) номерами в малых кольцевых интерферометрах (эфф. радиус 65 — 70 нм). Ранее наблюдаемые квазигармоники характеризовались только п = 2 — 4.

На защиту выносятся следующие положения:

2. В квазибаллистических кольцах сверхмалого размера, (эффективный радиус г = 60нм-75нм) благодаря тому, что размер квантовых точек на входе и выходе кольца уже сравним с длиной волны электрона, возникает многократное обратное рассеяние электронных волн. Это многократное рассеяние приводит к возникновению сверхвысоких Iг/пе квазигармоник осцилляций Ааронова-Бома с номерами п, достигающими значений п = 40 — 45.

3. В сверхрешетках антиточек поведение квазиклассических пиков магнитосопротивления и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка.

4. В магнитосопротивлении сверхрешетки антиточек с рекордно малым периодом 80 нм имеется аномальный квазиклассический пик магнитосопротивления, предположительно обусловленный эффектами немонотонного рассеяния. Осцилляций Шубникова-де Газа в этой сверхрешетке имеют необычный переход от аномального периода, постоянного по магнитному полю, к нормальному - постоянному по обратному магнитному полю. Поведение аномальных осцилляций связано с влиянием модулирующего потенциала антиточек на неоднородное уширение уровней Ландау.

Апробация работы. Основные результаты докладывались как на институтских семинарах Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, так и на следующих конференциях:

1. VII Российская конференция по физике полупроводников. (Москва, 2005.)

3. VIII Российская конференция по физике полупроводников. (Екатеринбург, 2007.)

4. 14th International Conference on Modulated Semiconductor Structures. (Kobe, Japan, 2009.)

5. XVIII Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников. (Екатеринбург, 2010.)

6. The 19th International Conference on the Application of High Magnetic Fields in Semiconductor Physics and Nanotechnology. (Fukuoka, Japan, 2010.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе б статей в рецензируемых журналах (Физика и техника полупроводников, Письма в ЖЭТФ, Solid State Communications и др.). Список работ в рецензируемых журналах представлен в специальном разделе в конце диссертации.

Структура диссертации. Работа состоит из введения (включающего обзор литературы), трёх основных глав, заключения, списка публикаций, списка цитируемой литературы и списка сокращений.

Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

5.1 Основные результаты и выводы

В данной работе впервые были реализованы и исследованы структуры на основе ДЭГ в гетеропереходе АЮаАв/ОаАв с глубиной залегания, меньше фермиевской длины волны электронов.

Впервые проведено экспериментальное исследование нарушения условия адиабатичности на квантование баллистического кондактанса. Обнаружено, что в короткой квантовой проволоке с резкими границами отсутствие указанного условия приводит к практически полному разрушению плато квантования кондактанса. Вместо этого наблюдаются ярко выраженные интерференционные эффекты, обусловленные как когерентным рассеянием на краях проволоки (интерференция Фабри-Перо), так и на случайных примесях (мезоскопическая интерференция), расположенных в областях ДЗГ, прилегающих к выходам проволоки.

В квазибаллистических кольцах малых размеров (эффективный радиус г = 60нм-75нм) обнаружены сверхвысокие ¡г/пе квазигармоники осцилляций Ааронова-Бома с номерами п, достигающими значений п = 40 — 45. Обнаружение столь высоких квазигармоник является прямым экспериментальным свидетельством существования в реальных рассеивающих системах с характерным размером порядка длины волны электрона процессов многократного обратного рассеяния электронных волн.

Экспериментально исследовано поведение магнитосопротивления сверхрешеток антиточек с периодом 180 нм и 80 нм. Показано, что поведение как квазиклассичсских пиков магнитосопротивления, так и квантовых осцилляций принципиальным образом зависит не только от периода решетки и размера антиточек, но также от плавности потенциала на границе ДЭГ-антиточка. В сверхрешетке антиточек с рекордно малым периодом 80 нм обнаружен целый ряд новых особенностей в поведении магнитосопротивления: 1) аномальный квазиклассический пик магнитосопротивления, обусловленный эффектами немонотонного рассеяния, 2) необычных'! переход в поведении осцилляций Шубникова-де Газа от аномального периода, постоянного по магнитному полю, к нормальному - постоянному по обратному магнитному полю, 3) эффект возгорания и подавления шубниковских осцилляций, вызванный трансформацией короткодействующего и дальнодействующего рассеивающих потенциалов в решетке при изменении концентрации двумерных электронов.

Благодарности

В заключение я хотел бы поблагодарить всех людей, способствующих успеху данной работы. Прежде всего, это мой научный руководитель Квон Дмитрий Харитонович, не только выбравший тему для исследований, но и задавший для меня верный курс между личной свободой и ненавязчивой опекой. Также я хочу отдельно поблагодарить сотрудников лабораторий №26 и №20 ИФП СО РАН, чей вклад начинался изготовлением образцов и заканчивался заливкой азота, а также сотрудников лаборатории LNCMI CNRS (Гренобль), где была проведена часть экспериментов и где я получил бесценный опыт.

5.2 Список публикаций в рецензируемых журналах

А1] Козлов Д. А. Свойства двумерного электронного газа в гетеропереходе АЮаАв/СаАз со сверхтонкилш слоями АЮаАв / Д. А. Козлов, З.Д. Квон, А. К. Калагин, А. И. Торопов // Физика и техника полупроводников 41 (2), с. 186-189 (2007).

А2] Козлов Д. А. Интерференционные эффекты в кондактансе квантовых проволок / Д.А. Козлов, З.Д. Квон // Вестник НГУ. Серия: Физика, вып. 3, с. 72-75 (2007).

АЗ] Козлов Д. А. Коидактанс коротких квантовых проволок с резкими границами / Д. А. Козлов, 3. Д. Квон, А. Е. Плотников, Д. В. Щеглов

А. В. Латышев // Письма в ЖЭТФ 86 (10) стр. 752-756 (2007).

A4] Kvoii Z. D. Ultra-high Aharonov-Bohm oscillations harmonics in a small ring interferometer / Z. D. Kvon, D.A. Kozlov, E. B. Olshanetsky,

A. E. Plotnikov, A.V. Latysliev, J.C. Portal // Solid State Communications 147, р. 230-233 (2008).

А5] Козлов Д. А. Квазиклассический и квантовый транспорт в двумерном электронном газе с решеткой антит,очек, имеющих резкие границы /

Д.А. Козлов, З.Д. Квон, |А.Е. Плотников! // Письма в ЖЭТФ 89 (2), с. 89-93 (2009).

Аб] Козлов ДА. Двумерный электронный газ в решетке антиточек с периодом 80нм / Д.А.Козлов, З.Д. Квон, А.Е.Плотников,

А. В. Латышев // Письма в ЖЭТФ 91 (3), с. 145-149 (2010).

5 Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Козлов, Дмитрий Андреевич, Новосибирск

1. Amasha S.Kondo temperature dependence of the Kondo splitting in a single-electron transistor / S. Amasha, I.J. Gelfand, M.A. Kastner, and A. Kogan // Phys. Rev. В 72, 045308 (2005).

2. Heiblum M. High mobility electron gas in selectively doped n:AlGaAs/GaAs heterojunctions / M. Heiblum, E. E. Mendez, and Frank Stern // Appl. Phys. Lett. 44(11), 1064 (1984)

3. Lin B. J. F. Mobility of the two-dimensional electron gas in GaAs-AlxGa\-xAs hetero structures / B. J.F. Lin, D.C. Tsui, M.A. Paalanen, and A. C. Gossard // Appl. Phys. Lett.45(6), 695 (1984).

4. Paalanen M.Temperature dependence of electron mobility in GaAs-AlxGa\xAs hetero structures from 1 to 10 К j M.A. Paalanen, D.C. Tsui, A. C. Gossard, and J.C.M. Hwang // Phys. Rev. В 29, 6003 (1984).

5. Davies J. H. The physics of low-dimensional semiconductors: an introduction // Cambridge University Press, 1998.

6. Umansky V. MBE growth of ultra-low disorder 2DEG with mobility exceeding 35xl06 err?/V-s / V. Umansky, M. Heiblum, Y. Levinson, J. Smet, J. Nubler, M. Dolev j j Journal of Crystal Growth 311 (7), 1658 (2009).

7. Ткаченко В. А. Амплитуда осцилляций Ааронова-Вома в малых баллистических интерферометрах J В. А. Ткаченко, З.Д. Квон,

8. Д. В. Щеглов, А. И. Торопов, О. А. Ткаченко, Д. Г. Бакшеев и A. JL Асеев // Письма в ЖЭТФ 79, 168 (2004).

9. Fuhrer A. Energy spectra of quantum, rings / A. Fuhrer, S. Liisher, T. Ihn, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider, M. Bichler // Nature413, 822 (2001).

10. Шарвин Ю.В // ЖЭТФ 48, 984 (1965). (Yu. V. Sharvin Sov. Phys. JETP 21, 655 (1965)).

11. Wees B. J. Quantized conductance of point contacts in a two-dimensional electron gas j B.J. vaii Wees, H. van Houten, C.W.J. Beenakker, J.G. Williamson, L.P. Kouwenhoven, and D.van der Marel // Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988).

12. Wharam D.A. One-dimensional transport and the quantisation of the ballistic resistance /D.A. Wharam, T.J. Thornton, R. Newbury, M. Pepper, H. Ahmed, J. E. F. Frost, D.G. Hasko, D. C. Peacock, D.A. Ritchie, and G.A.C. Jones // J. Phys. С 21, 209 (1988).

13. Thornton T.J. One-dimensional conduction in the 2D Electron Gas of a GaAs-AlGaAs heterojunction / T.J. Thornton, M. Pepper, H. Ahmed, D. Andrews and G.J. Davies // Phys. Rev. Lett.56 (11), 1198 (1986).

14. Landauer R. Spatial Variation of Currents and Fields Due to Localized Scattered in Metallic Conduction // IBM J. Res. Dev. 1, 223 (1957).

15. Landauer R. Electrical resistance of disordered one-dimensional lattices // Phil. Mag. 21, 863 (1970).

16. Biittiker M. Four-Terminal Phase-Coherent Conductance // Phys. Rev. Lett. 57, 1761 (1986).

17. Biittiker M. Absence of backscattering in the quantum, Hall effect in multiprobe conductors // Phys. Rev. B 38, 9375 (1988)

18. Van Houten H. Quantum Point Contacts / H. van Houten, C.W.J. Beenakker, B.J. van Wees // Academic Press, New York, 1990.

19. Tekman E. Theoretical study of transport through a quantum point contact // E. Tekman, S. Ciraci // Phys. Rev. B 43 (9), 7145 (1991).

20. J. Imry. In Direction in Condensed, Ma,tier Physics / Edited by G. Grinstei and G. Masenko // Singapore: World Scientific Publ., 1986, p.101.

21. Biittiker M. Generalized many-channel conductance formula with application to small rings / Biittiker M. / M. Biittiker, Y. Imry, R. Landauer, and S. Pinhas // Phys. Rev. B 31, 6207 (1985).

22. Biittiker M. The quantum Hall effect in open conductors // New York: Academic, Semiconductor and semimetals 35, 191 (1992).

23. Biittiker M. Small normal-metal loop coupled to an electron reservoir // Phys. Rev. B 32, 1846 (1985).

24. Engquist H. L. Definition and measurement, of the electrical and thermal resistances / H.L. Engquist and P.W. Anderson // Phys. Rev. B 24, 1151 (1981).

25. Глазман JI. И. Безотрао/сагпелъный квантовый транспорт и фундаментальные ступени баллистического сопротивления в микросужениях / JI. И. Глазман, Г. Б. Лесовик, Д. Е. Хмельницкий, Р. И. Шехтер // Письма в ЖЭТФ48(4), 218 (1988).

26. Yacoby A. Quantization of the conductance of ballistic point contacts beyond the adiabatic approximation f A. Yacoby, Y. Imry // Phys. Rev. В 41, 5341 (1990).

27. Левинсон И. Б. Квантовая проводимость баллистического микроконтакта // Письма в ЖЭТФ 48, 273 (1988).

28. Szafer Aaron. Theory of Quantum Conduction through a Constriction / Aaron Szafer and A. Douglas Stone // Phys. Rev. Lett. 62, 300 (1989).

29. Aharonov Y. Significance of Electromagnetic Potentials in Quantum Theory / Y. Aharonov, D. Bohm // Phys. Rev. 115, 485 (1959).

30. Deaver В. S. Experimental Evidence for Quantized Flux in Superconducting Cylinders B.S Deaver, Jr., and W. M. Fairbank // Phys. Rev. Lett.7, 43 (1961).

31. Byers N. Theoretical Consideration concerning quantized magnetic flux in superconducting cylinders / N. Byers, C.N. Yang // Phys. Rev. Lett.7, 46 (1961).

32. Parks R. D. Fluxoid Quantization in a Multiply-Connected Superconductor. /R. D. Parks, W. A. Little // Phys. Rev. 133, A97 (1964).

33. Jaklevic R. C. Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling j R. C. Jaklevic, John Lambe, A.H. Silver, and J. E. Mercereau // Phys. Rev. Lett. 12, 159 (1964).

34. Альтшуллер Б. Jl. Эффект Ааронова-Вома в неупорядоченных проводниках / Б. Л. Альтшуллер, А. Г. Аронов, Б. 3. Спивак // Письма в ЖЭТФ 33 (2), 101 (1981).

35. Шарвин Д. Ю. Квантование магнитного потока в цилиндрической пленке из нормального металла / Д. Ю. Шарвин, Ю.В. Шарвин // Письма в ЖЭТФ34(5), 285 (1981).

36. Buttiker M. Josephson behavior in small normal one-dimensional rings j M. Buttiker, Y. Imry and R. Landauer // Phys. Lett. A 96, 365 (1983).

37. Gefen Y. Quantum Oscillations and the Aharonov-Bohm effect for parallel resistors. /Y. Gefen, Y. Imry and M. Ya. Azbel // Phys. Rev. Lett. 52, 129 (1984).

38. Webb R. A. Obseravition ofh/e Aharonov-Dohm oscillations in normal metal rings / R. A. Webb, S. Washburn, C. P. Umbash, and R. B. Laibowitz // Phys. Rev. Lett. 54, 2696 (1985).

39. Ford C. J. B. Electrostatically defined heterojunction rings and the Aharonov-Bohm effect / C.J.B. Ford, T.J. Thornton, R. Newbury, M. Pepper, H. Ahmed, D.C. Peacock, D.A. Ritchie, J.E. F. Frost, and G.A. C. Jones // Appl. Phys. Lett. 54(1), 21 (1989).

40. De Vegvar P.G.N. Tunable Aharonov-Bohm Effect in an electron interferometer / P. G. N. de Vegvar, G. Timp, P. M. Mankiewich, R. Behringer, and J. Cunningham // Phys. Rev. В 40 (5), 3491 (1989).

41. Liu J. Correlations between Aharonov-Bohm effects and one-dimensional subband populations in GaAsJAlxGa\—xAs rings. //J. Liu, W. X. Gao, K. Ismail, K.Y. Lee, J.M. Honget., and S. Washburn // Phys. Rev. В 48, 15148 (1993).

42. Быков А. А. Квазибаллистический электронный интерферометр / А. А. Быков, 3. Д. Квон, Е. Б. Олынанецкий, JI. В. Литвин, Ю. В. Настаушев, В. Г. Мансуров, В. П. Мигаль, С. П. Мощенко, В. Г. Плюхин // Письма в ЖЭТФ 57, 596 (1993).

43. Tan W.-C. Landau quantization and the Aharonov-Bohm effect in a two-dimensional ring, j W.-C. Tan and J. C. Inkson // Phys. Rev. В 53, 6947 (1996).

44. Быков А. А. Резонансное обратное рассеяние в субмикронных кольцах

45. А. А. Быков, Д. В. Номоконов, А. К. Бакаров, О. Естибаль и Ж. К. Порталь // Письма в ЖЭТФ 78, 36 (2003).

46. Ткачснко О. А. Волновые функции баллистического электрона и отрицательное магнитосопротивление в малом кольцевом интерферометре / О. А. Ткаченко, В. А. Ткаченко, Д. Г. Бакшеев // Письма в ЖЭТФ 79, 351 (2004).

47. Олыианецкий Е. Б. Температурная зависимость осцилляции Ааронова-Вома в малых квазибаллистических интерферометрах / Е. Б. Олыианецкий, З.Д. Квон, Д. В. Щеглов, А. В. Латышев, А. И. Торопов, Ж. К. Портал // Письма в ЖЭТФ 81, 762 (2005).

48. Harper P. G. Single Band Motion of Conduction Electrons in a Uniform Magnetic Field // Proc. Phys. Soc. A 68, 874 (1955).

49. Hofstadter Douglas R. Energy levels and wave functions of Block electrons in rational and irrational magnetic fields. // Phys. Rev. В 4 (6), 2239 (1976).

50. Thouless D.J.Quantized Hall Conductance in a Two-Dimensional Periodic Potential /D. J. Thouless, M. Kohmoto, M. P. Nightingale, and M. den Nijs // Phys. Rev. Lett. 49 (6), 405 (1982).

51. Geisler M. C.Detection of a Landau band-coupling-induced rearrangement of the Hofstadter butterfly / M.C. Geisler, J. H. Smet, V. Umansky, K. von Kl-itzing, B. Naundorf, R. Ketzmerick, and H. Schweizer // Phys. Rev. Lett. 92 (25), 256801-1 (2004).

52. Синай Я. Т.Динамические системы с упругими отраоюениями.

53. Эргодические свойства рассеивающих бильярдов // УМН 25, вып. 2(152), 141 (1970).

54. Marcus С.М.Conductance Fluctuations and Chaotic Scattering in Ballistic Micro structures / С. M. Marcus, A. J. Rimberg, R. M. Westervelt, R F. Hopkins, and A. C. Gossard // Phys. Rev. Lett. vol. 69, num. 3, 506 (1992).

55. Budantsev M. V. 2D lattice of coupled Sinai billiards: metal or insulator at g «i?/M.V. Budantsev, Z. D. Kvon, A. G. Pogosov, G. M. Gusev, J. C. Portal, D.K. Maude, N.T. Moshegov and A.I. Toropov // Physica В 256, 595 (1998).

56. Квон 3. Д. Квантовый транспорт в решетках связанных электронных биллиардов // Письма в ЖЭТФ 76, 619 (2002).

57. Gerhardts R. R.Novel magnetoresistance oscillations in a periodically modulated two-dimensional electron gas / R. R. Gerhardts, D. Weiss, and K. v. Kl-itzing // Phys. Rev. Lett 62, 1173 (1989).

58. Beenakker C.W.J. Guiding-Center-Drift Resonance in a Periodically Modulated 2DEG // Phys. Rev. Lett. 62 (17), 2020 (1989).

59. Winkler R. W. Landau-band conductivity in a two-dimensional electrons system modulated by an artificial one-dimensional superlattice potential /

60. R.W. Winkler, J.P. Kotthaus, and K. Ploog // Phys. Rev. Lett. 62 (10), 1177 (1989).

61. Weiss D. Electron Pinball and Commensurate Orbits in a Periodic Array of Scatterers / D. Weiss, M. L. Roukes, A. Mesching, P. Grambow, K. von Kl-itzig, and G. Weinmann // Phys. Rev. Lett. 66, 2790 (1991).

62. Ensslin К .Magnetotransport through an antidot lattice / K. Ensslin, P.M. Petroff // Phys. Rev. В 41 (17), 12307 (1990).

63. Гусев. Г. M. Магнетоосцилляции в двумерной электронной систел1е с периодичесвим потенциалом антиточек / Г. М. Гусев, В. Т. Долгополов, З.Д. Квон, A.A. Шашкин, В.М. Кудряшов, JI.B. Литвин, Ю.В. Навстаушев // Письма в ЖЭТФ 54, 369 (1991).

64. Lorke A. Magnetotransport in two-dimensional lateral superlattices / Lorke A., J. P. Kotthaus, and K. Ploog // Phys. Rev. В 44, 3447 (1991).

65. Гусев З.Д. Осцилляции Ааронова-Бома в двумерном электронном газе с периодической решеткой рассеиват,елей / Г. М. Гусев, З.Д. Квон, Л. В. Литвин, Ю. В. Настаушев, А. К. Калагин и А. И. Торопов // Письма в ЖЭТФ 55, 129 (1992).

66. Tsukagoshi K. Commensurability oscillations by runaway and pinned electrons. / К. Tsukagoshi, Т. Nagao, M. Haraguchi, К. Murase and К. Gamo // Superlat. and Microstr. 23, 493 (1998).

67. Dorn. A. Interplay between the periodic potential modulation and random background scatterers in an antidot lattice A. Dorn, E. Bieri, T. Ihn, К. Ensslin, D.D. Driscoll, and A.C. Gossard // Phys. Rev. В 71, 035343 (2005).

68. Fleischmann R. Magnetotransport due to chaos and nonlinear resonances in lateral surface superlattices / R. Fleischmann, Т. Geisel, and R. Ketzmerick // Phys. Rev. Lett. 68, 1367 (1992).

69. Баскин Э. M. Стохастическая динамика двумерных электронов в периодической решетке антиточек / Э. М. Баскин, Г. М. Гусев, З.Д. Квоп, А. Г. Логосов и М.В. Энтин // Письма в ЖЭТФ 55, 649 (1992).

70. Гусев Г. М. Эффекты слабой локализации в электронных биллиардах / Г.М. Гусев, З.Д. Квон, А.Г. Погосов и П. Басмажи // ЖЭТФ 110, 696 (1996).

71. Weiss D. Quantized periodic orbits in large antidot array / D. Weiss, K. Richter, A. Menschig, R. Bergmann, H. Schweizer, К. von Klitzing and G. Weimann // Phys. Rev. Lett. 70, 4118 (1993).

72. Hackenbroich G. Periodic-orbit theory of quantum transport in antidot lattices / G. Hackenbroich, F von Oppen // Europhysics Letters 29, 151 (1995).

73. Dagata J. A. Modification of hydrogen passivated silicon by a scanning tunneling microscope operating in air / J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary,

74. C.J. Evans, M.T. Postck, and J. Bennett // Appl. Phys. Lett.56, 2001 (1990).

75. Campbell P.M. AFM-based fabrication of Si nanostructures / P.M. Campbell, E.S. Snow, P.J. McMarr // Physica В 227, 315 (1996).

76. Квон 3. Д. Новый режим резонансов обратного рассеяния в квантовом, интерферометре малых размеров / 3. Д. Квон, Е. А. Галактионов, В. А. Сабликов, А. К. Савченко, Д. А. Щеглов, А. В. Латышев // Письма в ЖЭТФ 83, 530 (2006).

77. Yacoby A. Phase rigidity and h/2e oscillations in a single ring Aharonov-Bohm experiment / A. Yacoby, R. Schuster, and M. Heiblum // Phys. Rev. В 53, 9583 (1996).

78. Лаунасмаа О. В. Принципы и методы получения температур ниоюе 1 К. // Москва, "Мир (1977).

79. Lang N. D. Theory of a single-atom point source for electrons / N. D. Lang, A. Yacoby, Y. Imry // Phys. Rev. Lett. 63, 1499 (1989).

80. Liang С. T. Gradual decrease of conductance of an adiabatic ballistic constriction below 2e2/h / С. T. Liang, O. A. Tkachenko, V. A. Tkachenko, D. G. Bak-sheyev, M.Y. Simmons, D.A. Ritchie, and M. Pepper // Phys. RevJ3 70, 195324 (2004).

81. Bykov A. A. Fluctuation properties of small silicon field-eff ect transistors /

82. A. A. Bykov, G.M. Gusev, Z.D. Kvon, B.I. Fomin // Sov. Phys. JETP 70 (1), 140 (1990).

83. Ford C. J. B. Gated, asymmetric rings as tunable electron interferometers C.J.B. Ford, A. B. Fowler, J.M. Hong, C.M. Knoedler, S.E. Laux, J.J. Wainer and S. Washburn // Surf. Science 229, 307 (1990).

84. Bykov A. A. GaAs/AlGaAs quantum ring interferometer with a high-density two-dimensional electron gas j A. A. Bykov, Z.D. Kvon, E. B. Olshanetsky, L.V. Litvin, A. G. Pogosov // PhysicaE 2, 519 (1998).

85. Ткаченко О. А. Электростатический потенциал, энергетический спектр и резонансы фано в кольцевом баллистическом интерферометре на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs / О. А. Ткаченко,

86. B. А. Ткаченко, Д. Г. Бакшеев, З.Д. Квон и Ж. К. Портал // Письма в ЖЭТФ 71, 366 (2000).

87. Buttiker M. Quantum oscillations in one-dimensional normal-metal rings. / M. Buttiker, Y. Imry and M.Ya. Azbcl // Phys. Rev. A 30, 1982 (1984).

88. Gefen Y. Quantum oscillations in small rings at low temperatures. / Y. Gefen, Y. Imry and M.Ya. Azbel // Surf. Science 142, 203 (1984).

89. Altshuller B. L. Effects of electron-electron collisions with small energy transfer on quantum localisation / B. L. Altshuler, A. G. Aronov, and D. E. Khmel-nitsky // J. Phys. С 15, 7367 (1982).

90. Гантмахер В. Ф. Рассеяние носителей тока в металлах иполупроводниках / В.Ф. Гантмахер, И. Б. Левинсон // М.: Наука,

91. Smith T. P.,Ill Electronic spectroscopy of zero-dimensional systems / T.P. Smith III, K.Y. Lee, C. M. Knoedler, J. M. Hong, and D. P. Kern // Phys. Rev. B 38 (3), 2172 (1988).

92. Renard V. Large positive magnetoresistance in a high-mobility two-dimensional electron gas: interplay of short- and long-range disorder / V. Renard, Z.D. Kvon, G.M. Gusev, and J.C. Portal // Phys. Rev. B 70, 033303 (2004).

93. Gold A. Scattering time and single-particle relaxation time in a disordered two-dimensional electron gas // Phys. Rev. B 38, 10798 (1988).

94. Wendel M. Interacting edge states in quantum wires / M. Wendel, C. Let-tau, W. Hansen, V. Dolgopolov, G. Bohm and G. Weimann // Solid State Communications 87, 1101 (1993).1984