Наноструктуры в двумерных электронных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

МЕЛЬНИКОВ Михаил Юрьевич

2 7 АВГ 2009

НАНОСТРУКТУРЫ В ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ.

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка — 2009

003475804

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Долгополов Валерий Тимофеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Дричко Ирина Львовна

доктор физико-математических наук Котельников Игорь Николаевич

Ведущая организация: Институт физики полупроводников

Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится " " сб-^уОГ^ 2009 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 002.100.01 при Учреждении Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН по адресу: 142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Институтская, д.2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФТТ РАН. Автореферат разослан

" ° " и/уО-А-Л 2009 г.

'Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

¿¿¿¿и

Зверев В.Н.

©Мельников М.Ю. 2009 ©ИФТТ РАН, 2009

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В современной физике твердого тела вызывают большой интерес методы создания и исследования транспортных свойств субмикронных структур (наноструктур) пониженной размерности. Это связано как с нуждами электронной промышленности, так и с развитием фундаментальной науки в силу широкого разнообразия квантовых свойств наноструктур. Большой класс таких структур изготавливается различными методами на основе квази-двумерных (далее - просто двумерных) электронных систем, к которым относятся, например, достаточно тонкие металлические пленки и полупроводниковые гетероструктуры с двумерным электронным газом.

Диссертация содержит исследовательскую часть, связанную с изучением свойств одномерных краевых каналов в условиях целочисленного квантового эффекта Холла и с изучением интерференционных явлений в квантовых низкоразмерных объектах; а также методическую часть, связанную с адаптацией метода локального анодного оксидирования к изготовлению квантовых наноструктур на базе высокоподвижных двумерных электронных слоев. Сочетание исследований свойств одномерных электронных состояний с развитием методических возможностей создания квантовых наноструктур обеспечивает актуальность проведенных исследований.

Первая часть диссертационной работы выполнена на образцах, изготовленных традиционным способом - с помощью относительно грубой оптической литографии. Совместно с электронно-лучевой литографией может быть достигнуто предельное разрешение яз 5 нм. Обе методики требуют многостадийной обработки поверхности образца.

В качестве альтернативы приобретают популярность методы нанолитографии с использованием атомно-силового микроскопа, из которых одним из самых востребованых является локальное анодное оксидирование. Метод позволяет создавать наноструктуры любой геометрии с разрешением до ~ 10 нм [1 ] при конечной электроводности путем рисования на поверхности образца изолирующих оксидных линий шириной ~ 10 -г 100 нм при неограниченной длине.

Локальное анодное оксидирование обладает следующими важными преимуществами: 1) возможность получения поверхностного изображения (топографии поверхности) в процессе создания наноструктур, что позволяет контролировать качество литографии и добиваться оптимального результата при формировании рисунка; 2) возможность проведения литографии в обычных комнатных условиях; 3) возможность, во многих случаях, создания готового к использованию образца без дополнительных стадий обработки.

Однако, до сих пор нано-оксидирование наиболее популярных гетероструктур на основе йа[А1]А8 позволяло создавать структуры в двумерном электронном газе, зале-

тающем не глубже 50 нм под поверхностью. Такой газ обладает относительно низкой подвижностью. В то же время, формирование наноструктур в глубоко залегающем высокоподвижном двумерном электронном газе с помощью высоковольтного локального анодного оксидирования должно позволить, например, создавать интерферометры на краевых каналах в режиме дробного квантового эффекта Холла. Вторая часть диссертации посвящена разработке как раз такой методики, изготовлению рабочих тестовых структур и экспериментам с их использованием.

Цели данной работы состояли в экспериментальном изучении спектра краевых состояний в режиме целочисленного квантового эффекта Холла в однослойной и двухслойной двумерных электронных системах, исследовании процессов релаксации в транспорте между расщепленными по спину краевыми состояниями; в адаптации методики высоковольтного локального анодного оксидирования к созданию наноструктур в двумерном электронном газе достаточно большой подвижности; создании посредством локального анодного оксидирования электронных интерферометров, квантовой точки, и квантового точечного контакта; тестировании полученных наноструктур.

Для реализации поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Исследован перенос заряда через полоску несжимаемой жидкости в области краевых состояний в условиях целочисленного квантового эффекта Холла и изучены механизмы релаксации при переносе заряда с переворотом спина.

2. Исследовано влияние объемного фазового перехода на энергетический спектр двумерной двуслойной электронной системы у края образца.

3. Адаптирована методика локального анодного оксидирования к созданию наноструктур в глубоко залегающем двумерном газе электронов в гетероструктурах Оа[А1]АБ.

4. Исследован электронный транспорт через открытую квантовую точку при гелиевых температурах в нормальном магнитном поле.

Новизна полученных результатов состоит в следующем. Впервые детально изучена сложная релаксация динамически поляризованных ядер и ее связь с процессами переворота спина при переносе электронов между краевыми состояниями. Впервые обнаружено влияние объемного фазового перехода на энергетический спектр двумерной двуслойной электронной системы у края образца. Впервые достигнута методическая возможность изготовления нано-объектов литографией с помощью локального анодного оксидирования на структурах, содержащих высокоподвижный двумерный электронный газ. Впервые в открытой квантовой точке изучены наблюденные осцилляции баллистической магнитопроводимости с очень малым периодом.

Практическая ценность работы:

1. Реализована необычная методика исследования транспорта между краевыми состояниями в режиме квантового эффекта Холла, позволившая напрямую исследовать транспорт в сильно неравновесных условиях. Получена новая информация о способах управления динамической поляризацией ядер в однослойной системе. Найдено, что в двуслойной системе I - К-кривые транспорта между краевыми состояниями можно линеаризовать изменением параллельной слоям компоненты магнитного поля.

2. Адаптирована методика литографии локальным анодным оксидированием к формированию наноструктур в глубоко залегающем двумерном электронном газе при отсутствии систем, повышающих точность позиционирования зонда атомно-силового микроскопа. С помощью такой литографии созданы электронные устройства субмикронных размеров со сравнительно легко обнаруживаемыми квантовыми свойствами.

3. Локальным анодным оксидированием создана квантовая точка почти круглой формы диаметром ~ 1 мкм, в которой в режиме баллистического пролета электронов при 1.5 К наблюдены не типичные для таких сравнительно высоких температур мелкопери-одные осцилляции проводимости. Фаза осцилляции регулируется магнитным полем.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На образце с одним слоем двумерного электронного газа в геометрии квази-Кор-бино в режиме целочисленного квантового эффекта Холла при факторе заполнения и = 2 реализована динамическая поляризация ядер в затворной щели вблизи края образца на площади ~ 3000 х 100 нм2. Равновесная концентрация динамически поляризованных ядер зависит от величины и знака разности электрохимпотенциалов краевых состояний в стационарном режиме. Наблюдена релаксация динамически поляризованных ядер, описанная суммой двух экспонент с характерными временами релаксации 25 с и 200 с. Указанные времена отнесены к локальному формированию динамической ядерной поляризации за счет одновременного переворота спинов ядер и спинов электронов и диффузии ядерных спинов.

2. В двуслойной двумерной электронной системе в геометрии квази-Корбино в режиме целочисленного квантового эффекта Холла при факторе заполнения и = 2 фазовый переход в объеме из спин-синглетной в наклонную антиферромагнитную фазу влияет на характер переноса электронов между краевыми состояниями в щели затвора. Вольт-амперные кривые (I - V - кривые) транспорта между краевыми состояниями линеаризуются при упомянутом фазовом переходе.

3. Оптимизированы условия методики высоковольтного локального анодного оксидирования для обеднения двумерного электронного газа в гетероструктуре Оа[А1]Аз на глубине 80 нм под поверхностью, что глубже достигнутого до сих пор. В такой гетеро-

структуре с помощью указанной методики создана действующая квантовая точка почта круглой формы размером мкм, находящаяся в баллистическом режиме при гелиевых температурах.

4. При температуре 1.5 К в баллистической магнитопроводимости открытой квантовой точки почти круглой формы размером мкм, созданной в гетероструктуре Ga[Al]As с помошью высоковольтного локального анодного оксидирования, наблюдены периодичные по полю осцилляции периодом меньше кванта h/e (в единицах магнитного потока). Предложено объяснение эффекта на основе интерференции электронов, движущихся по вписанным в квантовую точку обращенным по времени путям с началом и концом у одного из контактов, что отвечает периоду осцилляции h/2е.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу состоял в экспериментальном исследовании свойств краевых каналов в условиях целочисленного квантового эффекта Холла, адаптации метода локального анодного оксидирования в атомно-силовом микроскопе, в изготовлении и тестировании квантовых наноструктур, в экспериментальном исследовании электронного транспорта через открытую квантовую точку.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на 47-й научной конференции МФТИ (Черноголовка, 2004), на VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005), на Зимней школе молодых ученых по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2006), на совещании по программе "Спинозависи-мые явления в твердых телах и спинтроника"ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург, 2006), на теоретическом семинаре ФИАН (2007), на конкурсе научных работ ИФТТ РАН (2008) и на семинарах по физике низких температур (2004,2005,2006,2007,2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы [Al, А2, A3, А4] в реферируемых журналах: "Письма в ЖЭТФ", "Приборы и техника эксперимента'^ "Physical Review В".

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 132 страницы, включает 49 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 176 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и решенные для их достижения задачи, указана научная новизна, представлены выносимые на защиту положения, сказано о личном вкладе соискателя и апробации результатов работы, кратко описана структура диссертации.

В главе I дан обзор экспериментальных и теоретических результатов, имеющих отношение к проведенным экспериментам.

В разделе 1.1 рассмотрен транспорт между краевыми состояниями в режиме целочисленного квантового эффекта Холла (КЭХ). В случае одного слоя двумерного электронного газа (однослойная система) в перпендикулярном слою магнитном поле возникают эквидистантные по энергии уровни Ландау, каждый из которых расщеплен по спину на два подуровня. В случае двух параллельных туннельно-связанных слоев (двуслойная система) дополнительно возникает симметрично-антисимметричное расщепление уровней.

У края двумерной системы уровни Ландау загибаются вверх по энергии, формируя краевые состояния на пересечении с уровнем Ферми в виде сжимаемых полос, между которыми располагаются несжимаемые [2]. Бюттикер [3] предложил формализм расчета сопротивлений в режиме КЭХ, пользуясь электрохимпотенциалами краевых состояний. При разбалансе двух соседних краевых состояний между ними возникает электронный транспорт, отражающий их структуру и энергетический спектр. Интерес к настоящей работе вызван использованием техники измерений, позволившей напрямую измерять ток между краевыми состояниями и исследовать режим сильного разбаланса.

В подразделе 1.1.1 рассмотрены структуры с одним двумерным слоем. При температурах жидкого гелия в случае транспорта между краевыми состояниями с одинаковой и с разной ориентацией спинов длина выравнивания электрохимпотенциалов соседних краевых состояний 1СЯ может достигать порядка 100 мкм[4] и 1 мм [5] соответственно. Во втором случае в образцах без магнитных примесей механизмами переворота спина электрона служат спин-орбитальное [5] и сверхтонкое взаимодействия. При сверхтонком взаимодействии ток электронов вносит вклад в динамическую ядерную поляризацию, которая, в свою очередь, влияет на этот ток [6]. Явлению сопутствует гистерезис на вольт-амперных кривых [6]. Интерес к настоящей диссертации связан с более подробным исследованием динамической поляризации ядер и механизмов переноса электронов между краевыми состояниями с различной ориентацией спинов.

В подразделе 1.1.2 рассмотрены структуры с двумя туннельно связанными двумерными слоями. В объеме такой системы в одночастичном приближении каждый уровень Ландау расщеплен на четыре подуровня, соответствующих спиновому \д"\^вВ и симметрично-антисимметричному расщеплению [7]. С увеличением электронной концентрации Дялв уменьшается. Для общего фактора заполнения1 и = 2 при Дддз =

'Фактор заполнения V в перпендикулярном к плоскости двумерного газа магнитном поле В определяется как V = п/пв. где п- концентрация электронов в двумерной системе, пв = еВ/{кс)- вырождение квантового уровня.

\д*\^вВ происходит фазовый переход из спин-синглетного (неполяризованного) в фер-( ромагнитное (спин-поляризованное) состояние. Многочастичные эффекты значительно смещают точку перехода Вс в более слабые поля [8]. По теории \д*\цдВс т АдА8/Ес< где Ес — Кулоновская энергия. Вблизи Вс фазовый переход реализуется через промежуточную наклонную антиферромагнитную фазу, которую можно получить изменением параллельной плоскости слоев компоненты магнитного поля Вц [9].

На краю образца энергетическая структура определяется не только объемным спектром, но и краевым потенциалом, значительно меняющим фактор заполнения и. Интерес к настоящей работе вызван исследованием влияния фазового перехода в объеме двуслойной системы на энергетический спектр у ее края.

В разделе /.2 дан обзор созданию наноструктур методом локального анодного оксидирования (ЛАО), то есть окисление поверхности образца под зондом атомно-силового микроскопа при подаче на образец положительного напряжения относительно зонда. ЛАО успешно выполняется на металлах и полупроводниках [10, 11]. Для этого необходима влажная атмосфера [12], в которой между образцом и зондом возникает водный мостик (см. рис. 1).

По сравнению с контактным режимом, когда зонд

и воспроизводимость ЛАО, а также получить наиболее высокие характеристические отношения [11].

Исследования кинетики ЛАО выявили наиболее общие закономерности процесса, такие как: увеличение высоты и ширины оксидных наростов с повышением амплитуды и длительности импульса напряжения между образцом и зондом [13, 15, 16]; снижение темпа роста оксида с увеличением высоты нароста [12, 15, 17]; увеличение ширины оксидных наростов с повышением относительной влажности газовой среды [12, 15, 18]. Высота оксида к в большинстве экспериментов линейно возрастает с повышением электрического напряжения, тогда как зависимость й от времени более слабая.

Интерес к настоящей работе вызван, прежде всего, адаптацией методики высоко-

2 Отношение высоты к ширине.

"скребет'по поверхности, использование динамического режима, когда зонд механически колеблется вблизи поверхности, позволило замедлить разрушение иглы зонда [10, 13] и повысить характеристическое отношение2 оксидных наростов [14]. В отличие от немодулированного постоянного сигнала применение импульсного сигнала напряжения в динамическом режиме позволило повысить темп роста оксида

Ям

Рис. 1: Принципиальная схема ЛАО.

вольтного ЛАО к формированию наноструктур в глубоко залегающем двумерном электронном газе гетероструктур Ga[AI]As, а также созданием и тестировании наноструктур в других системах.

В подразделе 1.2.1 дан обзор нанооксидированию титановых пленок, отдельные области которых можно электрически изолировать друг от друга оксидными линиями. Так были созданы одноэлектронпая память [1], туннельные барьеры [10], и другие наноструктуры.

В настоящей работе рассмотрено создание интерферометров посредством высоковольтного ЛАО тонких титановых пленок, напыленных на SiOj.

В подразделе 1.2.2 дан обзор нано-оксидированию гетероструктур Ga[AI]As, в которых под поверхностным оксидом в двумерном электронном газе образуются области обеднения [19]. Это позволяет создавать, в том числе, затворы в плоскости двумерного газа [20], управляющие квантовыми точечными контактами [20,21 ]. До сих пор для ЛАО использовался двумерный газ с относительно малой подвижностью, расположенный не глубже 50 нм [16, 19,20] под поверхностью.

Интерес к настоящей работе вызван использованием высоковольтного ЛАО для создания квантовой точки в глубоко залегающем двумерном газе и создания управляемого квантового точечного контакта.

В разделе 1.3 дан обзор баллистическому транспорт через наноструктуры в двумерном электронном газе.

В подразделе 1.3. / рассмотрен при достаточно низких температурах квантовый точечный контакт в виде сужения с дифференциальным кондактансом G = dl/dV при V —> 0, являющемся ступенчатой функцией в зависимости от субмикронной ширины сужения, регулируемой напряжением Vg на затворах [22]. Значения плато G = N2e2/h, где N - число вырожденных по спину подзон одномерного квантования с энергией дна En(l <п < N,En < Еп+Х) ниже уровня Ферми EF в самом узком месте сужения. Согласующиеся с экспериментом подробные теории явления описаны в работах [23,24]. В случае тянущих напряжений V ~ AEni„+1 = £„+i — Еп появляются дополнительные ступени в зависимости G(V, Vg) [25,26], что позволяет определить АЕп,п+1 [26].

Методом ЛАО в Ga[A!]As получены качественные управляемые квантовые контакты [20, 21]. Нам интересны тестовые измерения транспорта электронов через подобные контакты Т-образной геометрии [21] с целью определения энергии Д£а,2.

В подразделе 1.3.2 рассмотрена квантовая точка, являющаяся ограниченной од-носвязной областью (обычно субмикронного размера)с двумя контактами в виде на-носужений. В условиях баллистического транспорта через открытую точку (проводимость каждого наносужения больше 2e2//i) интерференция приводит к мезоскопиче-

ским флуктуациям проводимости [27, 28] в зависимости от магнитного поля (эффект типа Ааронова-Бома). При этом наибольший период квазипериодической составляющей флуктуации соответствует проникновению кванта магнитного потока Ф0 = h/e (h-постоянная Планка, е- заряд электрона) внутрь площади, охваченной интерферирующими траекториями. Это возможно при наличии замкнутых траекторий, локализованных внутри квантовой точки (то есть почти несвязанных с контактами) - так называемый эффект "царапин" в спектре (см. обзоры [28] и ссылки в них). Периоды осцилляций $0/(2iV) {N - натуральное число) могут быть вызваны интерференцией между парами путей, связанными симметрией по отношению к обращению времени [29].

Интерес к настоящей работе связан с возможностью наблюдения интерференции в магнитопроводимости открытой квантовой точки при температурах выше 1 К, когда это может существенно осложняться [28, 30] потерей когерентности и подавлением h/e- осцилляций.

В главе 2 описаны результаты исследования транспорта между краевыми состояниями в режиме КЭХ в однослойной и двуслойной двумерных электронных системах.

В разделе 2.1 изложен принцип действия рефрижератора растворения Не3 в Не4 Oxford TLM-400 со встроенным сверхпроводящим соленоидом, позволяющего достигнуть температуры образцов 25 мК и магнитного поля до 16 Тл.

В разделе 2.2 описаны образцы, выращенные методом молекулярно-лучевой эпи-таксии, на основе гетероструктур GaAs/AIGaAs как с одним, так и с двумя разделенными туннельным барьером слоями двумерного электронного газа. В них сформированы структуры геометрии квази-Корбино [31](см.рис. 2). Зона с двумерным электронным газом (меза) кольцеобразной геометрии ограничена жирными черными линиями. Основные 4 омических контакта к краям мезы обозначены цифрами. Металлический затвор (серая область), нанесенный поверх мезы, оставляет открытой узкую полоску (затворная щель - "gate gap") двумерного газа. Тонкие линии со стрелками, указывающими направление дрейфа электронов, соответствуют краевым состояниям (каналам) в модели Бюттикера для факторов заполнения v = 2 вне затвора и g = 1 под затвором.

В разделе 2.3 обсуждаются преимущества и возможности геометрии квази-Корбино, а также описаны экспериментальные методики. Описан метод задания целых факторов заполнения v в затворной щели и g под затвором (v > g) с помощью внешнего маг-

Рис. 2: Схематическая диаграмма геометрии квази-Корбино.

нитного поля и напряжения на затворе. Описано измерение энергии активации. Указан способ прямого измерения тока между краевыми состояниями в затворной щели. Соответствующие вольт-амперные (I — V) кривые снимались по четырехточечной схеме на постоянном токе. Кривые временной релаксации V(t) получены при I = const сразу после переключения I из начального стационарного состояния.

в разделе 2.4 представлены экспериментальные результаты и обсуждение механизма релаксации в транспорте между расщепленными по спину краевыми состояниями при сильном разбалансе в однослойной двумерной электронной системе для факторов заполнения и = 2, g = 1. На рис. 3 показана окрестность малых токов I — V кривых, полученных разверткой из положительных токов в отрицательные и обратно (направления указаны стрелками). Гистерезис сильнее на отрицательной ветви. На вставках к рис. 3 даны примеры воспроизводимых кривых связанной с гистерезисом релаксации краевого напряжения V(t) при фиксированных токах I — —11.1 нА и / = 5.56 нА, полученные после длительной задержки в двух разных токах -222 нА (сплошные кривые) и 111 нА (точечные кривые). Хорошей оказалась аппроксимация V(t) = Vo+Viexp(—^)+V2exp(—~), где n ~ 25 с и т2 ~ 200 с на обеих ветвях. Найдено, что п и г2 не зависят от параллельной слою двумерного газа компоненты магнитного поля Вц. Также найдено, что равновесные I — V кривые, определяемые для различных I = const npHlimf-.,» V(t), не зависят от Вц.

Согласно численным оценкам большая часть тока между расщепленными по спину краевыми состояниями обусловлена спин-орбитальным взаимодействием. Однако релаксация может быть объяснена переносом электронов за счет сверхтонкого взаимодействия, поскольку Г] близко к временам релаксации ядерного спина в GaAs, которое порядка 30 с [6]. Показано, что независимо от знака тока I сверхтонкое взаимодействие поляризует ядра в одном и том же направлении внешнего поля, в отличие от выводов работы [6]. Направление релаксации на кривых V{t) на вставках рис. 3 объяснено большей равновесной динамической поляризацией ядер при / < 0, чем при I > 0. Существенно разная величина релаксации при / > 0 и при I < 0 объяснена несимметричной деформацией энергетической структуры краевых состояний.

Характерное время установления динамической ядерной поляризации в затворной щели n ~ 25 с задается током и диффузией спинов ядер из щели вследствие их взаи-

/(пА)

Рис. 3:1 — V кривые и V(t) кривые для комбинации факторов заполнения v = 2, g = 1.

9 в

1 . у' '_

Уш

6=30

. в

-10

10

о

/(пА)

Рис. 4:1 —V кривые при разных углах наклона поля.

модействия между собой. Время т2 ~ 200с имеет порядок ядерного спин-решеточного времени релаксации, отвечая за установление поляризации ядер вне затворной щели.

В разделе 2.5 представлены экспериментальные результаты и обсуждение влияния объемного фазового перехода на краевой энергетический спектр в двумерной двуслойной электронной системе. I — V кривые для двух направлений развертки тока показаны на рис. 4 для факторов заполнения и = 2, g = 1 (нормальная компонента поля везде одинакова). В нормальном поле (сплошная кривая) имеются пороговые напряжения Vt¿ и объясняемые подобно однослойной системе. При угле наклона поля в = 45" (точечная линия) V^ и исчезают. Штрих-пунктирная линия - результат расчета по Бюттикеру [3] при полном уравновешивании краевых состояний в затворной щели. Исчезновение гистерезиса (см. раздел 2.4) и линеаризация I - V кривых указывают на свободное движение электронов без переворота спина между краевыми состояниями. Измерениями энергии активации доказано, что I — V кривые линеаризуются вблизи фазового перехода объема двумерной системы в наклонную антиферромагнитную фазу.

В главе 3 изложены принципы и результаты создания наноструктур высоковольтным локальным анодным оксидированием.

В разделе 3.1 представлена установка для высоковольтного JIAO (рис. 5) и принцип ее работы. В каждой точке литографии к образцу относительно зонда прикладывался импульсный сигнал напряжения регулируемой до 100 В амплитуды Umax (рис. 5). Применялся атомно-силовой микроскоп Solver Р47 (НТ-МДТ). Относительная влажность воздуха регулировалась в пределах от комнатного значения до ~ 80%.

В разделе 3.2 изложена методика нанолитографии в динамическом режиме. Описа-

Рис. 5: Принципиальная схема подачи напряжения на образец относительно зонда и поясняющая временная диаграмма (слева).

на процедура выбора на образце участка поверхности для нанооксидирования. Указана степень влияния на литографию наиболее важных управляющих параметров: напряжения между зондом и образцом, амплитуды колебаний зонда, полного времени литографии в точке, относительной влажности и некоторых других. Реализована настройка режима ЛАО с учетом паразитного влияния неидеальности пьезокерамики, дрейфа образца относительно зонда, релье- „

ТИ

.51

я

I ■

10

10

15

20

рт

Рис. 6: Топография поверхности интерферометра №4 с разрезами слева и справа до границ титанового канала.

фа поверхности, добротности зонда и особенностей образцов. Указана эффективная последовательность действий при нанолитографии на полях сканирования величиной в несколько микрон. Описаны "мяг-кие"и "грубые"способы восстановления эффективности процесса ЛАО при его нарушениях.

В разделе 3.3 представлена методика создания интерферометров на пленках титана толщиной менее 10 нм с удельным сопротивлением < 10 кОм/квадрат, полученных термическим напылением в вакууме через теневые маски на подложки 5г02/5г. На пленках в форме каналов шириной < 50 мкм была проведена нанолитография при указанных в диссертации параметрах с многократным прорисовыванием линий, что обеспечивает им хорошие изолирующие свойства. Сперва была выработана процедура эффективного формирования разрезов (непрерывных оксидных линий) сопротивлением » 1 МОм (при комнатной температуре) поперек микроканалов в виде цепочки соединенных четырехугольников путем проверки изолирующих свойств каждого звена. Затем по сходным шаблонам было создано 5 двухпутных электронных интерферометров разных размеров, к каждому из которых было сделано по два выеокоомных разреза (рис. 6).

В разделе 3.4 изложена методика создания и

тестирования открытой квантовой точки в одном

из микроканалов с двумерным газом на глубине

80 нм под поверхностью в выращенной молекулярно- 0 2 4 6

рт

лучевой эпитаксией гетероструктуре Оа[А1]А5. Сред- рис Т Топография поверх„ости ка-няя длина свободного пробега двумерных электронов нала двумерного газа с квантовой точ-I к* 30 мкм при температуре 4.2 К. Параметры на- кой и соединительными разрезами, нолитографии указаны в диссертации. Тестовые измерения трех пробных разрезов при

ка 77 К с использованием подсветки инфракрасным светодиодом для увеличения концентрации электронов п показали, что сопротивление разреза быстро растет с увеличением его ширины. Затем по шаблону была создана открытая квантовая точка. От нее до краев микроканала нарисованы разрезы с пренебрежимо малой проводимостью (рис. 7), что подтверждено измерениями с подсветкой при 4.2 К.

В разделе 3.5 изложена методика создания и тестирования управляемых квантовых точечных контактов в двумерном газе на глубине 37 нм под поверхностью в выращенной молекулярно-лучевой эпи-таксией гетероструктуре Оа[А1]Аэ. При температуре 4.2 К средняя длина свободного пробега двумерных электронов I га 3.5 мкм.

При 4.2 К были определены напряжения пробоя (как соответствующие току 100 фА) более чем у 10-ти созданных разрезов различной высоты, ширины и однородности оксидных линий. На основе полученных данных было сформировано два квантовых контакта, управляемых затвором в плоскости двумерного газа. Параметры нанолитографии указаны в диссертации. Только у квантового контакта №2 (рис. 8 (а)), расположенного ближе к затвору, наблюдались ожидаемые ступени в С(Уд) при Узс1 —> 0 - три сплошные воспроизводимые кривые на рис. 8 (б), полученные в трех циклах охлаждения.

Двумя способами для наносужения №2 при одном охлаждении найдены значения АЕц (см. подраздел 1.3.1}, совпадающие в пределах погрешности. Во-первых, АЕ12 = 7 ± 4 мэВ из транскондактанса <Ю/йУд как функции УвЛ и Уя. Во-вторых, АЕ12 > 3 мэВ из условия совпадения расчетной кривой С(Уд) с правой кривой на рис. 8 (б).

В главе 4 приведены результаты измерения и анализа электронного транспорта через открытую квантовую точку при низких температурах в нормальных магнитных полях.

В разделе 4.1 изложен метод охлаждения образца с помощью криостата с жидким Не4 до температуры 4.2 К. Откачкой паров Не4 доступен диапазон до 1.5 К. Магнитное поле до яз 8.6 Тл создается встроенным сверхпроводящим соленоидом.

В разделе 4.2 представлена методика эксперимента. Структура образца описана в

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5

Рис. 8: (а) Топография поверхности гетероструктуры с сужением №2. (б) Его кондактанс б (в единицах 2е2//г, где е - заряд электрона, Л - постоянная планка) в зависимости от Уд .

разделе 3.4. Методом синхронного детектирования мерялась проводимость при заданном переменном напряжении на образце при 1.5 и 4.2 К в нормальных двумерному газу магнитных полях до 3 Тл. С целью повышения концентрации газа п, определяемой по ос-цилляциям Шубникова- де Гааза, образец подсвечивался инфракрасным светодиодом. Измерения проводились в нескольких (порядка 10) охлаждениях при п > 2.5- 10п см-2, когда квантовая точка открывается. Все обнаруженные особенности наблюдались при различных охлаждениях, хорошо воспроизводились при инверсии магнитного поля и не зависели от направления его развертки.

В разделах 4.3 и 4.4 представлены экспериментальные результаты и их обсуждение. Анализом осцилляций Шубникова- де Гааза (в магнитных полях > 0.4 Тл) и классических осцилляций периодом ~ 100 мТл (в полях В < 0.4 Тл) в проводимости квантовой точки обосновано, что мы действительно имеем дело с квантовой точкой геометрии близкой к ожидаемой (рис. 7). На рис. 9 приведены периодические по полю осцилляции проводимости квантовой точки при 1.5 К, полученные при двух разных охлаждениях для разных п. При 4.2 К осцилляции исчезают практически полностью, что указывает на эффект типа Ааронова-Бома. Для нижней и верхней кривых периоды осцилляций равны АВ = 3.5 ± 0.2 мТл и АВ = 2.9 ± 0.2 мТл соответственно. Такая высокая периодичность говорит о существовании в квантовой точке выделенных интерферирующих траекторий электронов.

Согласно эффекту Ааронова-Бома 1 /М — З^-^АВ/Фа, где 5trajec- охватываемая выделенными траекториями площадь, М -число обходов электрона вокруг нее. Подстановка вместо 5trajec рабочей площадь квантовой точки 5Кт > Strajec дает верхнюю оценку для 1 /М (см. таблицу). Skt вычислена как 5ciassic из классических осцилляций, и как Sgeom из геометрических размеров на микроизображении, аналогичном рис. 7 в более крупном масштабе и с лучшим разрешением. Они совпадают в пределах погрешности.

Объяснение наблюдаемым 1 /М < 1 предложено в терминах интерференции обращенных по времени путей на замкнутой квазиклассической траектории с началом и концом у одного и того же контакта к квантовой точке аналогично слабой локализации. В этом случае 1 /М = 1/2. Гипотеза подтверждается тем, что 1) не существен разброс импульсов (в том числе температурный) интерферирующих электронов [27];

В(Г)

Рис. 9: Короткопериодные осцилляции магнитопроводимости квантовой точки при Т = 1.5 К.

Верхние оценки для величины 1/А/

ЛВ = 3.5 мТл ДВ = 2.9 мТл

•Sclass ¡с АВ/Фо 0.81 ±0.17 0.67 ±0.14

S^AB/Ф 0 1.01 ±0.09 0.84 ±0.08

2) при В = 0 у нас всегда наблюдался минимум короткопериодных осцилляции. Также показано, что наблюдаемое различие периодов осцилляции в пяти разных охлаждениях может быть объяснено случайным примесным потенциалом, чувствительным к термо-циклированию образца [32].

В Заключении приведены основные результаты работы:

1. Создана динамическая поляризация ядер на площади ~ 3000 х 100 им2 вблизи края однослойной двумерной электронной системы при факторе заполнения и = 2. Показано, что равновесная плотность динамически поляризованных ядер зависит от величины и знака разности электрохимпотенциалов краевых состояний в стационарном режиме.

2. Обнаружена релаксация динамически поляризованных ядер, описанная суммой двух экспонент с характерными временами 25 с и 200 с. Эти времена присвоены локальному формированию динамической ядерной поляризации за счет одновременного переворота спинов ядер и спинов электронов и диффузии ядерных спинов.

3. Найдено, что компонента магнитного поля в плоскости двумерного газа Вц не влияет на релаксацию между двумя расщепленными по спину краевыми состояниями и на стационарное состояние системы.

4. Реализован фазовый переход из спин-синглетной в наклонную антиферромагнитную фазу изменением Вц в объеме двуслойной двумерной электронной системы при факторе заполнения и = 2 . При этом обнаружена линеаризация вольт-амперных кривых транспорта между краевыми состояниями.

5. Оптимизированы условия высоковольтного локального анодного оксидирования для обеднения двумерного электронного газа в гетероструктуре Оа[А1]Аз на глубине 80 нм под поверхностью, что глубже достигнутого до сих пор.

6. Создана действующая квантовая точка почти круглой формы размером мкм в двумерной электронной системе на глубине 80 нм под поверхностью гетероструктуры Са[А1]АБ методом высоковольтного локального анодного оксидирования.

7. Обнаружены периодичные по полю осцилляции в баллистической магнитопрово-димости открытой квантовой точки в малых полях при температуре 1.5 К. Период осцилляции в единицах магнитного потока, расчитанный как произведение площади квантовой точки и периода по магнитному полю оказался меньше кванта /г/е.

8. Предложено объяснение периодических квантовых осцилляции магнитопроводи-мости квантовой точки на основе интерференции вписанных в квантовую точку обращенных по времени электроных путей с началом и концом у одного из контактов, что отвечает периоду к/2е.

9. Разработана методика создания изолирующих разрезов тонких титановых пленок высоковольтным локальным анодным оксидированием с определением качества изоля-

ции в процессе литографии. С помощью такой методики созданы наноструктуры в форме интерферометров.

10. Создан управляемый затвором квантовый точечный контакт в двумерном электронном газе на глубине 37 нм под поверхностью гетероструктуры Ga[Al]As методом высоковольтного локального анодного оксидирования.

11. Измерен дифференциальный кондактанс квантового контакта в зависимости от затворного и тянущего напряжений. Из этих данных двумя способами определена разность энергий АЕ\2 доньев первой и второй подзон в самом узком месте квантового контакта. Найденные значения AEi2 совпадают в пределах погрешности.

Материалы диссертации опубликованы в работах:

[А1]. E.V. Deviatov, A. Wurtz, A. Lorke, M.Yu. Melnikov, V.T. Dolgopolov, D. Reuter, and A.D. Wieck "Two relaxation mechanisms observed in transport between spin-split edge states at high imbalance". Phys. Rev. В 69, 115330 (2004). [А2]. E.V. Deviatov, A. Wurtz, A. Lorke, M.Yu. Melnikov, V.T. Dolgopolov, A. Wixforth, K.L. Campman, A.C. Gossard "Manifestation of the bulk phase transition in the edge energy spectrum in a two-dimensional bilayer electron system". JETP Letters, Vol. 79, iss.4, p.171 (2004).

[A3]. М.Ю. Мельников, B.C. Храпай, D. Schuh "Создание наноструктур в гетеропереходе с глубоким залеганием двумерного электронного газа методом высоковольтной анодно-окислительной литографии с использованием атомно-силового микроскопа". Приборы и техника эксперимента, Том 51, №4, стр.137 (2008). [А4]. М.Ю. Мельников, В.Т. Долгополое, B.C. Храпай, Д. Шух "Интерференция баллистических электронов в открытой квантовой точке при высокой температуре". Письма вЖЭТФ, том 88, стр.40 (2008).

Список литературы

[1] К. Matsumoto, Y. Gotoh, Т. Maeda, J.A. Dagata, J.S. Harris. Room-temperature single-electron memory made by pulse-mode atomic force microscopy nano oxidation process on atomically flat a-alumina substrate. Appl. Phys. Lett. 76, 239 (2000).

[2] D.B. Chklovskii, В. I. Shklovskii, and L. I. Glazman. Electrostatics of edge channels. Phys. Rev. В 46, 4026(1992).

[3] M.Buttiker. Absence of backscattering in the quantum Hall effect in multiprobe conductors. Phys. Rev. В 38, 9375(1988).

[4] R.J. Haug. Edge-state transport and its experimental consequences in high magnetic fields. Semicond. Sei. Technol. 8, 131 (1993).

[5] G. Müller, D. Weiss, A.V. Khaetskii, K. von Klitzing, S. Koch, H. Nickel, W. Schlapp, and R. Lösch. Equilibration length of electrons in spin-polarized edge channels. Phys. Rev. B 45,3932(1992).

' [6] David C. Dixon, Keith R. Wald, Paul L. McEuen and M.R. Melloch. Dynamic nuclear polarization at the edge of a two-dimensional electron gas. Phys. Rev. B 56, 4743 (1997).

[7] G. S. Boebinger, H. W. Jiang, L. N. Pfeiffer, and K. W. West. Magnetic-field-driven destruction of quantum Hall states in a double quantum well. Phys. Rev. Lett. 64, 1793 (1990).

[8] V. S. Khrapai, E. V. Deviatov, A. A. Shashkin, V. T. Dolgopolov, F. Hastreiter, A. Wixforth, K.L. Campman and A.C. Gossard. Canted Antiferromagnetic Phase in a Double Quantum Well in a Tilted QuantizingMagnetic Field. Phys. Rev. Lett. 84, 725(2000).

[9] M.-F. Yang, M.-C. Chang. Effect of an in-plane magnetic field on magnetic phase transitions in v = 2 bilayer quantum Hall systems. Phys. Rev. B 60, R13985 (1999).

[10] B. Irmer, M. Kehrle, H. Lorenz, and J.P. Kotthaus. Fabrication of Ti/TiOx tunneling barriers by tapping mode atomic force microscopy induced local oxidation Appl. Phys. Lett. 71, 1733(1997).

[11] D. Graf, M. Frommenwiler, P. Studerus, T. Ihn, K. Ensslin, D. C. Driscoll and A. C. Gossard. Local oxidation of Ga[AI]As heterostructures with modulated tip-sample voltages. J. Appl. Phys. 99,053707 (2006).

[12] P. Avouris, T.Hertel and R. Marfel. Atomic force microscope tip-induced local oxidation of silicon: kinetics, mechanism, and nanofabrication. Appl. Phys. Lett. 71,285(1997).

[13] P.A. Fontaine, E. Dubois and D. Stievenard. Characterization of scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy-based techniques for nanolithography on hydrogen-passivated silicon. J. Appl. Phys. 84, 1776 (1998).

[14] M. Tello and R. Garcia. Nano-oxidation of silicon surfaces: comparison of noncontact and contact atomic-force microscopy methods. Appl. Phys. Lett. 79, 424 (2001).

[15] Z. Shen, S. Hou, H. Sun, X. Zhao and Z. Xue. Local oxidation of titanium thin films using an atomic force microscope under static and pulsed voltages. J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 1357(2004).

[16[ D.V. Sheglov, A.V. Latyshev, A.L. Aseev. The deepness enhancing of an AFM-tip induced surface nanomodificafion. Appl. Surf. Sci. 243, 138 (2005).

[17] W.-P. Huang, H.-H. Cheng, S.-R. Jian, D.-S. Chuu, J.-Y. Hsieh, C.-M. Lin and M.S. Chiang. Localized electrochemical oxidation of p-GaAs(lOO) using atomic force microscopy with a carbon nanotube probe. Nanotechnology 17,3838 (2006).

[18] Y. Matsuzaki, A. Yamada, M. Konagai. Improvement of nanoscale patterning of heavily doped p-type GaAs by atomic force microscope (AFM)-based surface oxidation process. J. Cryst. Growth 209, 509 (2000).

[19] A. Fuhrer, A. Dorn, S. Luscher, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider, M. Bichler. Electronic properties of nanostructures defined in Ga[Al]As heterostructures by local oxidation. Superlat. Microstruct. 31,19 (2002).

[20] R. Held, T. Vancura, T. Heinzel, K. Ensslin, M. Holland, W. Wegscheider. Inplane gates and nanostructures fabricated by direct oxidation of semiconductor heterostructures with an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 73, 262(1998).

[21] G. Mori, M. Lazzarino, D. Ercolani, G. Biasiol, and L. Sorba. Magnetic field and temperature dependence of an atomic force microscope-defined quantum point contact. J. Vac. Sci. Technol. В 22, 570 (2004).

[22] B.J. van Wees, H. van Houten, C.W.J. Beenakker, J.G. Williamson, L.R Kouwenhoven, D. van der Marel and C.T. Foxon. Quantized conductance of point contacts in a two-dimensional electron gas. Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988).

[23] Л.Г. Глазман, Г.Б. Лесовик, Д.Е. Хмельницкий, Р.И. Шехтер. Безотражательный квантовый транспорт и фундаментальные ступени баллистического сопротивления в микросужениях. Письма в ЖЭТФ 48,218 (1988).

[24] М. Buttiker. Quantized transmission of a saddle-point constriction. Phys. Rev. В 41, 7906(1990).

[25] Л.И. Глазман, А.В. Хаецкий. Нелинейная квантовая проводимость микросужения. Письма в ЖЭТФ 48, 546 (1998).

[26] NX Patel, J.T. Nieholls, L. Marin-Moreno, M. Pepper, J.E.F. Frost, D.A. Ritchie, and G.A.C. Jones. Evolution of half plateaus as a function of electric field in a ballistic quasi-one-dimensional constriction. Phys. Rev. B44, 13549(1991).

[27] C.W.J. Beenakker. Random-matrix theory of quantum transport. Rev. Mod. Phys. 69, 731(1997).

[28] R. Akis, J.P. Bird, D. Vasileska, D.K. Ferry, A.P. S. de Moura, Y.-C. Lai in "Electron Transport in Quantum Dots"edited by J. P. Bird. Kjuwer Academic Publishers (2003).

[29] 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. Electrostatically defined heterojunction rings and the Aharonov-Bohm effect Appl. Phys. Lett. 54, 21 (1989).

[30] A.M. Chang, H.U. Baranger, L.N. Pfeiffer and K.W. West. Weak Localization in Chaotic versus Nonchaotic Cavities: A Striking Difference in the Line Shape. Phys. Rev. Lett. 73,2111 (1994).

[31] A. Wurtz, R. Wildfeuer, A. Lorke, E.V. Deviatov, and V.T. Dolgopolov. Separately contacted edge states: A spectroscopic tool for the investigation of the quantum Hali effect. Phys. Rev. B 65, 075303 (2002).

[32] J.A. Nixon, J.H. Davies and H.U. Baranger. Breakdown of quantized conductance in point contacts calculated using realistic potentials. Phys. Rev. B 43, 12638 (1991).

МЕЛЬНИКОВ Михаил Юрьевич НАНОСТРУКТУРЫ В ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

Сдано в набор 24.06.09 г. Подписано в печать 25.06.09 г. Объем 1,25 п л. Заказ 160. Тираж 80 экз.

Подготовлено и отпечатано в типографии ИПХФ РАН. 142432, г. Черноголовка, пр-т Семенова, д.1

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Краевые состояния в двумерном электронном газе в режиме целочисленного квантового эффекта Холла.

1.1.1 Транспорт между краевыми состояниями в структурах с одним двумерным слоем

1.1.2 Транспорт между краевыми состояниями в структурах с двумя тун-нельно связанными двумерными слоями

1.2 Создание наноструктур методом локального анодного оксидирования

1.2.1 Нано-оксидирование титановых пленок.

1.2.2 Нано-оксидирование гетероструктур Ga[Al]As.

1.3 Баллистический транспорт через наноструктуры в двумерном электронном газе гетеропереходов

Ga[Al]As.

1.3.1 Квантовый точечный контакт.

1.3.2 Квантовая точка.

2 Перенос заряда между краевыми состояниями в двумерных электронных системах

2.1 Экспериментальная установка.

2.2 Образцы.

2.3 Методика эксперимента.

2.4 Механизм релаксации в транспорте между расщепленными по спину краевыми состояниями при сильном разбалансе в однослойной двумерной электронной системе.

2.5 Влияние объемного фазового перехода на краевой энергетический спектр в двумерной двуслойной электронной системе.

3 Создание наноструктур методом высоковольтного локального анодного оксидирования в атомно-силовом микроскопе, и их тестирование

3.1 Установка для нанолитографии.

3.2 Методика нанолитографии.

3.3 Интерферометры на тонких пленках титана.

3.4 Открытая квантовая точка в гетероструктуре

Ga[Al]As с двумерным газом на глубине 80 нм под поверхностью.

3.5 Управляемый квантовый точечный контакт в гетероструктуре Ga[Al]As с двумерным газом на глубине 37 нм под под поверхностью.

4 Электронный транспорт через открытую квантовую точку при низких температурах в нормальных магнитных полях

4.1 Экспериментальная установка.

4.2 Методика эксперимента.

4.3 Экспериментальные результаты.

4.4 Обсуждение.

В современной физике твердого тела вызывают большой интерес методы создания и исследования транспортных свойств субмикронных структур (наноструктур) пониженной размерности. С одной стороны, это связано с нуждами электронной промышленности и, в частности, с процессом миниатюризации. С другой стороны, низкоразмерные структуры субмикронного масштаба (размерностью меньше двух) представляют значительный интерес для фундаментальной науки в силу широкого разнообразия их квантовых свойств. Большой класс таких структур изготавливается на основе квази-двумерных (далее - просто двумерных) электронных систем, которые уже несколько десятилетий привлекают к себе внимание исследователей всего мира. К двумерным системам относятся, например, достаточно тонкие металлические пленки и полупроводниковые гете-роструктуры с двумерным электронным газом. При этом в настоящее время существует множество методов создания наноструктур, применение которых зависит от поставленной задачи и имеющегося оборудования.

Диссертация содержит исследовательскую часть, связанную с изучением свойств краевых каналов в условиях целочисленного квантового эффекта Холла и исследованием интерференции в открытой квантовой точке; а также методическую часть, связанную с изготовлением и тестированием квантовых наноструктур на базе высокоподвижных двумерных электронных слоев.

Исследовательская часть работы имеет дело с одномерными краевыми каналами, в которых предполагается существование нового состояния - Латтинжеровской жидкости, и с изучением интерференционных явлений в квантовых низкоразмерных объектах.

Методическая часть работы связана с адаптацией метода локального анодного оксидирования к изготовлению квантовых наноструктур на базе высокоподвижных двумерных электронных слоев. Сочетание исследований свойств одномерных электронных состояний с развитием методических возможностей создания квантовых наноструктур обеспечивает актуальность проведенных исследований.

Для создания наноструктур в исследовательских целях уже стало традиционным использовать относительно грубую оптическую литографию и электронно-лучевую литографию, требующих многостадийной обработки поверхности образца. При электроннолучевой литографии на стадии формирования нанорисунка электронный пучок сканирует поверхность электронного резиста, повторяя шаблон, заложенный в управляющий компьютер. Благодаря более короткой длине волны электронов по сравнению со светом, разрешение метода составляет ~ 10 нм. Предельное разрешение может достигать ~ 5 нм, что соответствует размеру молекулы резиста. Первая часть диссертационной работы выполнена на образцах, изготовленных традиционным способом.

В качестве альтернативы приобретают популярность методы нанолитографии с использованием сканирующего зондового микроскопа (сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа). К ним относится множество методов обработки поверхности зондом нанометровых размеров, из которых одним из самых востре-бованых в настоящее время является метод так нызываемого локального анодного оксидирования. К настоящему времени его применяли более 40 научно-исследовательских групп по всему миру. Метод локального анодного оксидирования позволяет создавать наноструктуры с разрешением до ~ 10 нм (см., например, [1]) посредством рисования на поверхности образца оксидных линий шириной ~ 10 -т- 100 нм при неограниченной длине. В условиях, когда латеральный транспорт в двумерном электронном газе поперек таких линий оказывается затруднен, становится возможным создавать наноструктуры с конечной электропроводностью.

Локальное анодное оксидирование обладает следующими важными преимуществами: 1) возможность получения поверхностного изображения (топографии поверхности) в процессе создания наноструктур, что позволяет контролировать качество литографии и добиваться оптимального результата при формировании сколь угодно сложных рисунков; 2) возможность проведения литографии в обычных комнатных условиях; 3) возможность, во многих случаях, создания готового к использованию образца без дополнительных стадий обработки.

Атомно-силовой микроскоп совместно с хорошим программным обеспечением позволяет изготавливать с помощью локального анодного оксидирования наноструктуры любой геометрии на образцах с двумерным электронным газом. В том числе широко исследуемые в настоящее время управляемые квантовые точечные контакты, квантовые провода, квантовые точки, интерферометры и их всевозможные комбинации. Однако, до сих пор локальное анодное оксидирование наиболее популярных гетероструктур па основе Ga[Al]As позволяло создавать наноструктуры в двумерном электронном газе, залегающем не глубже 50 нм под поверхностью. Такой двумерный газ обладает относительно низкой подвижностью. В то же время, формирование наноструктур в глубоко залегающем высокоподвижном двумерном электронном газе с помощью высоковольтного локального анодного оксидирования должно позволить, например, создавать интерферометры на краевых каналах в режиме дробного квантового эффекта Холла. Вторая часть диссертации посвящена разработке как раз такой методики высоковольтного локального анодного оксидирования, изготовлению рабочих тестовых структур и экспериментам с их использованием.

Цели данной работы состояли в экспериментальном изучении спектра краевых состояний в режиме целочисленного квантового эффекта Холла в однослойной и двухслойной двумерных электронных системах, исследовании процессов релаксации в транспорте между расщепленными по спину краевыми состояниями; в адаптации методики высоковольтного локального анодного оксидирования к созданию наноструктур в двумерном электронном газе достаточно большой подвижности; создании посредством локального анодного оксидирования электронных интерферометров, квантовой точки, и квантового точечного контакта; тестировании полученных наноструктур.

Для реализации поставленных целей были решены следующие задачи.

1. Исследован перенос заряда через полоску несжимаемой жидкости в области краевых состояний в условиях целочисленного квантового эффекта Холла и изучены механизмы релаксации при переносе заряда с переворотом спина.

2. Исследовано влияние объемного фазового перехода на энергетический спектр двумерной двуслойной электронной системы у края образца.

3. Адаптирована методика локального анодного оксидирования к формированию наноструктур в глубоко залегающем двумерном электронном газе в гетероструктурах Ga[Al]As.

4. Исследован электронный транспорт через открытую квантовую точку при гелиевых температурах в нормальном магнитном поле.

Новизна полученных результатов определяется следующими факторами. Впервые детально изучена сложная релаксация числа динамически поляризованных ядер и ее связь с процессами переворота спина при переносе электронов между краевыми состояниями. Впервые обнаружено влияние объемного фазового перехода на энергетический спектр двумерной двуслойной электронной системы у края образца. Впервые достигнута методическая возможность изготовления нано-объектов литографией с помощью локального анодного оксидирования на структурах, содержащих высокоподвижный двумерный электронный газ. Впервые в открытой квантовой точке изучены наблюденные осцилляции баллистической магнитопроводимости с очень малым периодом. Перечисленные пункты определяют и практическую значимость диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На образце с одним слоем двумерного электронного газа в геометрии квази-Кор-бино в режиме целочисленного квантового эффекта Холла при факторе заполнения и — 2 реализована динамическая поляризация ядер в затворной щели вблизи края образца на площади ~ 3000 х 100 нм2. Равновесная концентрация динамически поляризованных ядер зависит от величины и знака разности электрохимпотенциалов краевых состояний в стационарном режиме. Наблюдена релаксация числа динамически поляризованных ядер, описанная суммой двух экспонент с характерными временами релаксации 25 с и 200 с. Указанные времена отнесены к локальному формированию динамической ядерной поляризации за счет одновременного переворота спинов ядер и спииов электронов и диффузии ядерных спинов.

2. В двуслойной двумерной электронной системе в геометрии квази-Корбино в режиме целочисленного квантового эффекта Холла при факторе заполнения v = 2 фазовый переход в объеме из спин-синглетной в наклонную антиферромагнитную фазу влияет на характер переноса электронов между краевыми состояниями в щели затвора. Вольт-амперные кривые (I — V - кривые) транспорта между краевыми состояниями линеаризуются при упомянутом фазовом переходе.

3. Оптимизированы условия методики высоковольтного локального анодного оксидирования для обеднения двумерного электронного газа в гетероструктуре Ga[Al]As на глубине 80 нм под поверхностью, что глубже достигнутого до сих пор. В такой гетероструктуре с помощью указанной методики создана действующая квантовая точка почти круглой формы размером мкм, находящаяся в баллистическом режиме при гелиевых температурах.

4. При температуре 1.5 К в баллистической магнитопроводимости открытой квантовой точки почти круглой формы размером мкм, созданной в гетероструктуре Ga[Al]As с помощью высоковольтного локального анодного оксидирования, наблюдены периодичные по полю осцилляции периодом меньше кванта h/e (в единицах магнитного потока). Предложено объяснение эффекта на основе интерференции электронов, движущихся по вписанным в квантовую точку обращенным по времени путям с началом и концом у одного из контактов, что отвечает периоду осцилляций h/2e.

Личный вклад соискателя в диссертационную работу состоял в экспериментальном исследовании свойств краевых каналов в условиях целочисленного квантового эффекта Холла, адаптации метода локального анодного оксидирования в атомно-силовом микроскопе, в изготовлении и тестировании квантовых наноструктур, в экспериментальном исследовании электронного транспорта через открытую квантовую точку.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 47-й научной конференции МФТИ (Черноголовка, 2004), на VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, 2005), на Зимней школе молодых ученых по физике полупроводников (Санкт-Петербург, 2006), на совещании по программе "Спинозависи-мые явления в твердых телах и спинтроника"ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург, 2006), на теоретическом семинаре ФИАН (2007), на конкурсе научных работ ИФТТ РАН (2008) и на семинарах по физике низких температур (2004, 2005, 2006,2007, 2008).

По диссертации опубликовано 4 работы [Al, А2, A3, А4] в реферируемых журналах: "Письма вЖЭТФ", "Приборы и техника эксперимента'^ "Physical Review В".

Эти и некоторые другие результаты представлены в настоящей диссертации в такой последовательности: в главе 1 дан обзор основных теоретических и экспериментальных результатов, имеющих отношение к данной работе; глава 2 посвящена результатам исследований транспорта между краевыми состояниями путем прямого измерения тока между ними в режиме целочисленного квантового эффекта Холла в однослойной и двухслойной двумерных электронных системах; в главе 3 подробно описаны установка для высоковольтного локального анодного оксидирования, методика создания с ее помощью наноструктур на поверхности титановых пленок и гетероструктур Ga[Al]As, и результаты тестирования полученных наноструктур при гелиевых температурах; в главе 4 представлены результаты исследования электронного транспорта через открытую квантовую точку в нормальных магнитных полях при низких температурах.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Создана динамическая поляризация ядер на площади ~ 3000 х 100 нм2 вблизи края однослойной двумерной электронной системы при факторе заполнения и = 2. Показано, что равновесная плотность динамически поляризованных ядер зависит от величины и знака разности электрохимпотенциалов краевых состояний в стационарном режиме.

2. Обнаружена релаксация числа динамически поляризованных ядер, описанная суммой двух экспонент с характерными временами 25 с и 200 с. Эти времена присвоены локальному формированию динамической ядерной поляризации за счет одновременного переворота спинов ядер и спинов электронов и диффузии ядерных спинов.

3. Найдено, что компонента магнитного поля в плоскости двумерного газа В\\ не влияет на релаксацию между двумя расщепленными по спину краевыми состояниями и на стационарное состояние системы.

4. Реализован фазовый переход из спин-синглетной в наклонную антиферромагнитную фазу изменением £ц в объеме двуслойной двумерной электронной системы при факторе заполнения и = 2 . При этом обнаружена линеаризация вольт-амперных кривых транспорта между краевыми состояниями.

5. Оптимизированы условия высоковольтного локального анодного оксидирования для обеднения двумерного электронного газа в гетероструктуре Ga[Al]As на глубине 80 нм под поверхностью, что глубже достигнутого до сих пор.

6. Создана действующая квантовая точка почти круглой формы размером мкм в двумерной электронной системе на глубине 80 нм под поверхностью гетерострук-туры Ga[Al]As методом высоковольтного локального анодного оксидирования.

7. Обнаружены периодичные по полю осцилляции в баллистической магнитопрово-димости открытой квантовой точки в малых полях при температуре 1.5 К. Период осцилляций в единицах магнитного потока, рассчитанный как произведение площади квантовой точки и периода по магнитному полю оказался меньше кванта h/e.

8. Предложено объяснение периодических квантовых осцилляций магнитопроводи-мости квантовой точки на основе интерференции вписанных в квантовую точку обращенных по времени электроных путей с началом и концом у одного из контактов, что отвечает периоду h/2e.

9. Разработана методика создания изолирующих разрезов тонких титановых пленок высоковольтным локальным анодным оксидированием с определением качества изоляции в процессе литографии. С помощью такой методики созданы наноструктуры в форме интерферометров.

10. Создан управляемый затвором квантовый точечный контакт в двумерном электронном газе на глубине 37 нм под поверхностью гетероструктуры Ga[Al]As методом высоковольтного локального анодного оксидирования.

11. Измерен дифференциальный кондактанс квантового контакта в зависимости от затворного и тянущего напряжений. Из этих данных двумя способами определена разность энергий АЕ\2 доньев первой и второй подзон в самом узком месте квантового контакта. Найденные значения АЕп совпадают в пределах погрешности.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

Al. E.V. Deviatov, A. Wurtz, A. Lorke, M.Yu. Melnikov, V.T. Dolgopolov, D. Reuter, and A.D. Wieck "Two relaxation mechanisms observed in transport between spin-split edge states at high imbalance". Phys. Rev. В 69, 115330 (2004).

А2. E.V. Deviatov, A. Wurtz, A. Lorke, M.Yu. Melnikov, V.T. Dolgopolov, A. Wixforth, K.L. Campman, A.C. Gossard "Manifestation of the bulk phase transition in the edge energy spectrum in a two-dimensional bilayer electron system". JETP Letters, Vol. 79, iss.4, p. 171 (2004).

A3. М.Ю. Мельников, B.C. Храпай, D. Schuh "Создание наноструктур в гетеропереходе с глубоким залеганием двумерного электронного газа методом высоковольтной анодно-окислительной литографии с использованием атомно-силового микроскопа". Приборы и техника эксперимента, Том 51, №4, стр.137 (2008).

А4. М.Ю. Мельников, В.Т. Долгополов, B.C. Храпай, Д. Шух "Интерференция баллистических электронов в открытой квантовой точке при высокой температуре". Письма в ЖЭТФ, том 88, стр.40 (2008).

Благодарности

Прежде всего я хочу искренно поблагодарить Э.В. Девятова и B.C. Храпая за непосредственное руководство и помощь на разных этапах создания диссертационной работы, заведующего ЛК.Т В.Т. Долгополова за интересный выбор направления моей научной деятельности, терпение, мудрые советы и помощь при написании текста, а также А.А.Жукова, А.А. Шашкина, А.А. Капустина, Ю.А. Нефедова, Д.В. Шовкуна, М.Р. Тру-нина, З.Д. Квона за помощь в подготовке экспериментов и/или полезные обсуждения с ценными замечаниями (в том числе по тексту настоящей работы). Помимо этого я признателен всем, кто так или иначе способствовал появлению данного труда. И особо я хочу поблагодарить мою маму, чья психологическая поддержка была важна на каждом этапе подготовки диссертации.

Заключение

1. K.v. KHtzing, G. Dorda, М. Pepper. New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance. Phys. Rev. Lett. 45, 494(1980).

2. K. von KHtzing. The quantized Hall effect. Rev. Mod. Phys. 58, 519 (1986).

3. V.T. Dolgopolov, A.A. Shashkin, A.V. Aristov, D. Schmerek, H. Drexler, W. Hansen, J.P. Kotthaus, and M. Holland. Nonlinear screening in two-dimensional electron systems. Phys. Low-Dim. Struct. 6, 1 (1996).

4. V. T. Dolgopolov, A. A. Shashkin, A. V. Aristov, D. Schmerek, H. Drexler, W. Hansen, J. P. Kotthaus, and M. Holland. Direct Measurements of the Spin Gap in the Two-Dimensional Electron Gas of AlGaAs-GaAs Heterojunctions. Phys. Rev. Lett. 79, 729(1997).

5. В. I. Halperin. Quantized Hall conductance, current-carrying edge states, and the existence of extended states in a two-dimensional disordered potential. Phys. Rev. В 25,2185(1982).

6. D.B. Chklovskii, В. I. Shklovskii, and L. I. Glazman. Electrostatics of edge channels. Phys. Rev. В 46, 4026(1992).

7. A.H. MacDonald and P. Streda. Quantized Hall effect and edge currents. Phys. Rev. В 29, 1616(1984).

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

9. R. Landauer. Electrical resistance of disordered one-dimensional lattices. Philos. Mag. 21, 863(1970).

10. D.J. Thouless. Edge voltages and distributed currents in the quantum Hall effect. Phys. Rev. Lett. 71, 1879 (1993).

11. R.J. Haug. Edge-state transport and its experimental consequences in high magnetic fields. Semicond. Sci. Technol. 8, 131 (1993).

12. G. Miiller, D. Weiss, A.V. Khaetskii, K. von Klitzing, S. Koch, H. Nickel, W. Schlapp, and R. Losch. Equilibration length of electrons in spin-polarized edge channels. Phys. Rev. В 45, 3932(1992).

13. В. Т. Долгополов, А. А. Шашкин, Г. М. Гусев, 3. Д. Квон. Температурная зависимость нелокального сопротивления в режиме квантового эффекта Холла. Письма вЖЭТФ 53, 461 (1991).

14. А. V. Khaetskii. Transitions between spin-split edge channels in the quantum-Hall-effect regime. Phys. Rev. В 45, 13777 (1992).

15. Keith R. Wald, Leo P. Kouwenhoven, Paul L. McEuen, Nijs C. van der Vaart, С. T. Foxon. Local Dynamic Nuclear Polarization Using Quantum Point Contacts. Phys. Rev. Lett. 73, 1011 (1994).

16. David C. Dixon, Keith R. Wald, Paul L. McEuen and M.R. Melloch. Dynamic nuclear polarization at the edge of a two-dimensional electron gas. Phys. Rev. В 56, 4743 (1997).

17. Т. Machida, S. Ishizuka, T. Yamazaki, S. Komiyama, K. Muraki and Y. Hirayama. Spin polarization of fractional quantum Hall edge channels studied by dynamic nuclear polarization. Phys. Rev. В 65, 233304 (2002).

18. G. S. Boebinger, H. W. Jiang, L. N. Pfeiffer, and K. W. West. Magnetic-field-driven destruction of quantum Hall states in a double quantum well. Phys. Rev. Lett. 64, 1793(1990).

19. V. Pellegrini, A. Pinczuk, B. S. Dennis, A. S. Plaut, L. N. Pfeiffer, and K. W. West. Collapse of Spin Excitations in Quantum Hall States of Coupled Electron Double Layers. Phys. Rev. Lett. 78, 310 (1997).

20. V. S. Khrapai, E. V. Deviatov, A. A. Shashkin, V. T. Dolgopolov, F. Hastreiter, A. Wixforth, K.L. Campman and A.C. Gossard. Canted Antiferromagnetic Phase in a Double Quantum Well in a Tilted Quantizing Magnetic Field. Phys. Rev. Lett. 84, 725 (2000).

21. E. Demler and S. Das Sarma. Spin Bose-Glass Phase in Bilayer Quantum Hall Systems at v = 2. Phys. Rev. Lett. 82, 3895 (1999).

22. M.-F. Yang, M.-C. Chang. Effect of an in-plane magnetic field on magnetic phase transitions in v = 2 bilayer quantum Hall systems. Phys. Rev. В 60, R13985 (1999).

23. A.J.M. Giesbers, U. Zeitler, S. Neubeck, F. Freitag, K.S. Novoselov, and J.C. Maan. Nanolithography and manipulation of graphene using an atomic force microscope. Solid State Commun. 147, 366 (2008).

24. H. Sugimura, T. Uchida, N. Kitamura and H. Masuhara. Tip-induced anodization of titanium surfaces by scanning tunneling microscopy: a humidity effect on nanolithography. Appl. Phys. Lett. 63, 1288 (1993).

25. B. Irmer, M. Kehrle, H. Lorenz, and J.P. Kotthaus. Fabrication of Ti/TiO^ tunneling barriers by tapping mode atomic force microscopy induced local oxidation Appl. Phys. Lett. 71, 1733(1997).

26. E.S. Snow, D. Park and P.M. Campbell. Single-atom point contact devices fabricated with an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 69, 269 (1996).

27. F. K. Lee, G. H. Wen, X. X. Zhang and О. К. C. Tsui. Fabrication of mesoscopic devices using atomic force macroscopic electric field induced oxidation. J. Vac. Sci. Technol. В 21, 162(2003).

28. Y.-ho Kim, J. Zhao, and K. Uosaki. Formation and electric property measurement of nanosized patterns of tantalum oxide by current sensing atomic force microscope. J. Appl. Phys. 94,7733(2003).

29. H.J. Song, M.J. Rack, K. Abugharbieh, S.Y. Lee, V. Khan, D.K. Ferry and D.R. Allee. 25 nm chromium oxide lines by scanning tunneling lithography in air. J. Vac. Sci. Technol. В 12, 3720(1994).

30. D. Wang, L. Tsau, K-L. Wang, P. Chow. Nanofabrication of thin chromium film deposited on Si(100) surfaces by tip induced anodization in atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 67, 1295(1995).

31. J.-i. Shirakashi, M. Ishii, K. Matsumoio, N. Miura and M. Konagai. Surface Modification of Niobium (Nb) by Atomic Force Microscope (AFM) Nano-Oxidation Process. Jpn. J. Appl. Phys. 35, LI 524 (1996).

32. V. Bouchiat, M. Faucher, C. Thirion, W. Wernsdorfer, T. Fournier and B. Pannetier. Josephson junctions and superconducting quantum interference devices made by local oxidation of niobium ultrathin films. Appl. Phys. Lett. 79, 123 (2001).

33. P.O. Vaccaro, S. Sakata, S. Yamaoka, I . Umezu, A. Sugimura. Nano-oxidation of vanadium thin films using atomic force microscopy. J. Mater. Sci. Lett. 17, 1941 (1998).

34. Ju.-H. Hsu, H.-W. Lai, H.-N. Lin, C.-C. Chuang and J.-H. Huang. Fabrication of nickel oxide nanostructures by atomic force microscope nano-oxidation and wet etching. J. Vac. Sci. Technol. В 21, 2599 (2003).

35. H.N. Lin, Y.H. Chang, J.H. Yen, J.H. Hsu, I.C. Leu, M.H. Hon. Selective growth of vertically aligned carbon nanotubes on nickel oxide nanostructures created by atomic force microscope nano-oxidation. Chem. Phys. Lett. 399, 422 (2004).

36. N. Farkas, G. Zhang, E.A. Evans, R.D. Ramsier and J.A. Dagata. Nanoscale oxidation of zirconium surfaces: kinetics and mechanisms. J. Vac. Sci. Technol. A 21, 1188(2003).

37. S. Gwo, C.-L. Yeh, P.-F. Chen, Y.-C. Chou, Т. T. Chen, T.-S. Chao, S.-F. Hu and T.-Y. Huang. Local electric-field-induced oxidation of titanium nitride films. Appl. Phys. Lett. 74, 1090(1999).

38. Т.Н. Fang and K.T. Wu. Local oxidation characteristics on titanium nitride film by electrochemical nanolithography with carbon nanotube tip. Electrochem. Commun. 8, 173(2006).

39. D. Stievenard and B. Legrand. Silicon surface nano-oxidation using scanning probe microscopy. Prog. Surf. Sci. 81,112 (2006).

40. D. Graf, M. Frommenwiler, P. Studerus, T. Ihn, K. Ensslin, D. C. Driscoll and A. C. Gossard. Local oxidation of GaAl]As heterostructures with modulated tip-sample voltages. J. Appl. Phys. 99, 053707 (2006).

41. Д.В. Соколов. Механизм нанооксидирования n-Ino.53Gao.47As с помощью атомно-силового микроскопа. Ж. техн. физ. 72, 60 (2002).

42. S. Sasa, Т. Ikeda, С. Dohno, М. Inoue. InAs/AlGaSb nanoscale device fabrication using AFM oxidation process. Phys. E 2, 858(1998).

43. J.S. Hwang, Z.S. Hu, Z.Y. You, T.Y. Lin, C.L. Hsiao and L.W. Tu. Local oxidation of InN and GaN using an atomic force microscope. Nanotechnology 17, 859 (2006).

44. H. Sugimura, T. Uchida, N. Kitamura and H. Masuhara. Scanning Tunneling Microscope Tip-Induced Anodization for Nanofabrication of Titanium. J. Phys. Chem. 98, 4352(1994).

45. P. Avouris, T.Hertel and R. Martel. Atomic force microscope tip-induced local oxidation of silicon: kinetics, mechanism, and nanofabrication. Appl. Phys. Lett. 71, 285(1997).

46. R. Garcia, M. Calleja and H. Rohrer. Patterning of silicon surfaces with noncontact atomic force microscopy: field-induced formation of nanometer-size water bridges. J. Appl. Phys. 86, 1898(1999).

47. M. Calleja, M. Tello and R. Garcia. Size determination of field-induced water menisci in noncontact atomic force microscopy. J. Appl. Phys. 92, 5539 (2002).

48. S. Gomez-Monivas, J.J. Saenz, M. Calleja and R. Garcia. Field-Induced Formation of Nanometer-Sized Water Bridges. Phys. Rev. Lett. 91, 056101 (2003).

49. A.E. Gordon, R.T. Fayfield, D.D. Litfin and Т.К. Higman. Mechanisms of surface anodization produced by scanning probe microscopes. J. Vac. Sci. Technol. В 13, 2805(1995).

50. Y. Okada, S. Amano, M. Kawabe and J.S. Harris, Jr. Basic mechanisms of an atomic force microscope tip-induced nano-oxidation process of GaAs. J. Appl. Phys. 83, 7998(1998).

51. R. Nemutudi, N.J. Curson, N.J. Appleyard, D.A. Ritchie, G.A.C. Jones. Modification of a shallow 2DEG by AFM lithography. Microelectron. Eng. 57, 967 (2001).

52. W.-P. Huang, H.-H. Cheng, S.-R. Jian, D.-S. Chuu, J.-Y. Hsieh, C.-M. Lin and M.S. Chiang. Localized electrochemical oxidation of p-GaAs(100) using atomic force microscopy with a carbon nanotube probe. Nanotechnology 17, 3838 (2006).

53. Т.Н. Fang and K.J. Chen. Local oxide growth mechanisms on nickel films. Mater. Transact. 48, 471 (2007).

54. J.A. Dagata, T. Inoue, J. Itoh and H. Yokoyama. Understanding scanned probe oxidation of silicon. Appl. Phys. Lett. 73, 271 (1998).

55. R. Held, T. Heinzel, P. Studerus, K. Ensslin. Nanolithography by local anodic oxidation of metal films using an atomic force microscope. Phys. E 2, 748 (1998).

56. R. Held, Т. Vancura, Т. Heinzel, К. Ensslin, M. Holland, W. Wegscheider. In-plane gates and nanostructures fabricated by direct oxidation of semiconductor heterostructures with an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 73, 262 (1998).

57. R. Garcia, R.V. Martinez and J. Martinez. Nano-chemistry and scanning probe nanolithographies. Chem. Soc. Rev. 35, 29(2006).

58. M. Ishii, K. Matsumoto. Control of Current in 2DEG Channel by Oxide Wire Formed Using AFM. Jpn. J. Appl. Phys. 34, 1329(1995).

59. X.N. Xie, H.J. Chung, D.M. Tong. Field-induced meniscus dynamics and its impact on the nanoscale tip-surface interface. J. Appl. Phys. 102, 084313 (2007).

60. M. Tello and R. Garcia. Giant growth rate in nano-oxidation of p-silicon surfaces by using ethyl alcohol liquid bridges. Appl. Phys. Lett. 83, 2339 (2003).

61. P. Fay, R.T. Brockenbrough, G. Abeln, P. Scott, S. Agarwala, I. Adesida and J. W. Lyding. Scanning tunneling microscope stimulated oxidation of silicon (100) surfaces. J. Appl. Phys. 75, 7545 (1994).

62. Y. Okada, Y. Iuchi, M. Kawabe and J.S. Harris, Jr. Basic properties of GaAs oxide generated by scanning probe microscope tip-induced nano-oxidation process. J. Appl. Phys. 88, 1136(2000).

63. M. Lazzarino, M. Padovani, G. Mori, L. Sorba, M. Fanetti, M. Sancrotti. Chemical composition of GaAs oxides grown by local anodic oxidation: a spatially resolved Auger study. Chem. Phys. Lett. 402, 155(2005).

64. H. Sugimural, N. Kitamura and H. Masuhara. Modification of n-Si(100) Surface by Scanning Tunneling Microscope Tip-Induced Anodization under Nitrogen Atmosphere. Jpn. J. Appl. Phys., (1994).

65. L.A. Nagahara, Т. Thundat, S.M. Lindsay. Nanolithography on semiconductor surfaces under an etching solution. Appl. Phys. Lett. 57, 270(1990).

66. J.A. Dagata, J. Schneir, H.H. Harary, C.J. Evans, M.T. Postek, and J. Bennett. Modification of hydrogen-passivated silicon by a scanning tunneling microscope operating in air. Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).

67. J.A. Dagata, J. Schneir, H.H. Harary, J. Bennett and W. Tseng. Pattern generation on semiconductor surfaces by a scanning tunneling microscope operating in air. J. Vac. Sci. Technol. В 9, 1384(1991).

68. J.A. Dagata, W. Tseng, J. Bennett, E.A. Dobisz, J. Schneir and H.H. Harary. Integration of scanning tunneling microscope nanolithography and electronics device processing. J. Vac. Sci. Technol. A 10,2105(1992).

69. T. Thundat, L.A. Nagahara, P.I. Oden, S.M. Lindsay, M.A. George and W.S. Glaunsinger. Modification of tantalum surfaces by scanning tunneling microscopy in an electrochemical cell. J. Vac. Sci. Technol. A 8, 3537(1990).

70. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber and E. Weibel. Tunneling through a controllable vacuum gap. Appl. Phys. Lett. 40, 178(1982).

71. H.C. Day, D.R. Allee. Selective area oxidation of silicon with a scanning force microscope. Appl. Phys. Lett. 62, 2691 (1993).

72. Y. Martin, C.C. Williams and H.K. Wickramasinghe. Atomic force microscope—force mapping and profiling on a sub 100-A scale. J. Appl. Phys. 61, 4723 (1987).

73. D. Rugar, H. J. Mamin, and P. Guethner. Improved fiber-optic interferometer for atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 55, 2588 (1989).

74. C. Schonenberger and S.E Alvarado. A differential interferometer for force microscopy. Rev. Sci. Instrum. 60, 3131 (1989).

75. G. Meyer and N.M. Amer. Novel optical-approach to atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 53, 1045(1988).

76. E.S. Snow and P.M. Campbell. Fabrication of Si nanostructures with an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 64, 1932 (1994).

77. T. Hattori, Y. Ejiri, K. Saito, M. Yasutake. Fabrication of nanometer-scale structures using atomic force microscope with conducting probe. J. Vac. Sci. Technol. A 12, 2586(1994).

78. S.C. Minne, H.T. Soh, Ph. Flueckiger and C.F. Quate. Fabrication of 0.1 fim metal oxide semiconductor field-effect transistors with the atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 66, 703(1995).

79. T. Teuschler, K. Mahr, S. Miyazaki, M. Hundhausen and L. Ley. Nanometer-scale field-induced oxidation of Si(lll):H by a conducting-probe scanning force microscope: doping dependence and kinetics. Appl. Phys. Lett. 67, 3144(1995).

80. D. Wang, L. Tsau, and K. L. Wang. Nanometer-structure writing on Si( 100) surfaces using a non-contact-mode atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 65, 1415 (1994).

81. F. Perez-Murano, G. Abadal, N. Barniol, X. Aymerich, J. Servat, P. Gorostiza and F. Sanz. Nanometer-scale oxidation of Si(100) surfaces by tapping mode atomic force microscopy. J. Appl. Phys. 78, 6797 (1995).

82. R. Garcia, M. Calleja, F. Perez-Murano. Local oxidation of silicon surfaces by dynamic force microscopy: nanofabrication and water bridge formation. Appl. Phys. Lett. 72,2295(1998).

83. P.A. Fontaine, E. Dubois and D. Stievenard. Characterization of scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy-based techniques for nanolithography on hydrogen-passivated silicon. J. Appl. Phys. 84, 1776(1998).

84. M. Tello and R. Garcia. Nano-oxidation of silicon surfaces: comparison of noncontact and contact atomic-force microscopy methods. Appl. Phys. Lett. 79, 424 (2001).

85. D.V. Sheglov, A.V. Latyshev, A.L. Aseev. The deepness enhancing of an AFM-tip induced surface nanomodification. Appl. Surf. Sci. 243, 138 (2005).

86. J. A. Dagata, T. Inoue, J. Itoh, K. Matsumoto and H. Yokoyama. Role of space charge in scanned probe oxidation. J. Appl. Phys. 84, 6891 (1998).

87. E. Dubois and J.-L. Bubendorff. Kinetics of scanned probe oxidation: Space-charge limited growth. J. Appl. Phys. 87, 8148 (2000).

88. J.A. Dagata, F. Perez-Murano, C. Martin, H. Kuramochi and H. Yokoyama. Current, charge, and capacitance during scanning probe oxidation of silicon. I. Maximum charge density and lateral diffusion. J. Appl. Phys. 96, 2386 (2004).

89. M. Calleja and R. Garcia. Nano-oxidation of silicon surfaces by noncontact atomic-force microscopy: size dependence on voltage and pulse duration. Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000).

90. M. Calleja, J. Anguita, R. Garcia, K. Birkelund, F. Perez-Murano and J.A. Dagata. Nanometre-scale oxidation of silicon surfaces by dynamic force microscopy: reproducibility, kinetics and nanofabrication. Nanotechnology 10, 34 (1999).

91. F. Perez-Murano, K- Birkelund, K. Morimoto, J.A. Dagata. Voltage modulation scanned probe oxidation. Appl. Phys. Lett. 75, 199(1999).

92. Y. Matsuzaki, S. Hasui, S.-y. Kamada, A.Yamada and M. Konagai. Improvement in Aspect Ratio of P-GaAs Oxide Fabricated by Atomic Force Microscope (AFM)-Based Nanolithography Using Pulsed Voltage. Jpn. J. Appl. Phys., (2001).

93. Y. Okada, Y. Iuchi and M. Kawabe. Scanning probe microscope tip-induced oxidation of GaAs using modulated tip bias. J. Appl. Phys. 87, 8754 (2000).

94. B. Legrand and D. Stievenard. Nanooxidation of silicon with an atomic force microscope: a pulsed voltage technique. Appl. Phys. Lett. 74, 4049 (1999).

95. S. Bae, С. Han,M.-S. Kim, С. C. Chung and H. Lee. Atomic force microscope anodization lithography using pulsed bias voltage synchronized with resonance frequency of cantilever. Nanotechnology 16, 2082 (2005).

96. R. Held, T. Heinzel, P. Studerus, K. Ensslin, M. Holland. Semiconductor quantum point contact fabricated by lithography with an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 71,2689 (1997).

97. U.F. Keyser, H.W. Schumacher, U. Zeitler, R.J. Haug and K. Eberl. Fabrication of a single-electron transistor by current-controlled local oxidation of a two-dimensional electron system. Appl. Phys. Lett. 76, 457 (2000).

98. L. Pellegrino, E. Bellingeri, A.S. Siri and D. Marre. Current-controlled lithography on conducting SrTi035 thin films by atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 87, 064102(2005).

99. M.S. Johannes, D.G. Cole and R.L. Clark. Velocity controlled anodization nanolithography with an atomic force microscope using Faradaic current feedback. Appl. Phys. Lett. 90, 103106(2007).

100. E.S. Snow and P.M. Campbell. AFM Fabrication of Sub-10-Nanometer Metal-Oxide Devices with in Situ Control of Electrical Properties. Science 270,1639(1995).

101. B.K. Неволин. Физические основы туннелыю-зондовой нанотехнологии. Электронная версия, Москва (2000).

102. D. Stievenard, Р.А. Fontaine and Е. Dubois. Nanooxidation using a scanning probe microscope: an analytical model based on field induced oxidation. Appl. Phys. Lett. 70,3272(1997).

103. R.J.M. Vullers, M. Ahlskog, M. Cannaerts and C.Van Haesendonck. Field induced local oxidation of Ti and Ti/Au structures by an atomic force microscope with diamond coated tips. J. Vac. Sci. Technol. В 17, 2417 (1999).

104. F.S.-S. Chien, Y.C. Chou,T.T. Chen, W.-F. Hsieh and T.-S. Chao. Nano-oxidation of silicon nitride films with an atomic force microscope: chemical mapping, kinetics, and applications. J. Appl. Phys. 89, 2465 (2001).

105. E. Dubois and J.-L. Bubbendor. Nanometer scale lithography on silicon, titanium and PMMA resist using scanning probe microscopy. Solid-State Electron. 43, 1085 (1999).

106. E.S. Snow, G.G. Jernigan and P.M. Campbell. The kinetics and mechanism of scanned probe oxidation of Si. Appl. Phys. Lett. 76, 1782 (2000).

107. H. Jungblut, D. Wille and H.J. Lewerenz. Nano-oxidation of H-terminated p-Si(100): influence of the humidity on growth and surface properties of oxide islands. Appl. Phys. Lett. 78, 168 (2001).

108. Y. Okada, S. Amano, M. Kawabe, B.N. Shimbo and J.S. Harris, Jr. Nanoscale oxidation of GaAs-based semiconductors using atomic force microscope. J. Appl. Phys. 83, 1844(1998).

109. Y. Matsuzaki, A. Yamada, M. Konagai. Improvement of nanoscale patterning of heavily doped p-type GaAs by atomic force microscope (AFM)-based surface oxidation process. J. Cryst. Growth 209, 509 (2000).

110. C. Huh and S.-J. Park. Atomic force microscope tip-induced anodization of titanium film for nanofabrication of oxide patterns. J. Vac. Sci. Technol. В 18, 55 (2000).

111. Z. Shen, S. Hou, H. Sun, X. Zhao and Z. Xue. Local oxidation of titanium thin films using an atomic force microscope under static and pulsed voltages. J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 1357(2004).

112. L. Ley, T. Teuschler, K. Mahr, S. Miyazaki and M. Hundhausen. Kinetics of field-induced oxidation of hydrogen-terminated Si(l 11). J. Vac. Sci. Technol. В 14, 2845 (1996).

113. X.N. Xie, H.J. Chung, C.H. Sow, A.T.S. Wee. Nanoscale materials patterning and engineering by atomic force microscopy nanolithography. Mater. Sci. Eng. R 54, 1 (2006).

114. M. Sigrist, A. Fuhrer, T. Ihn, K. Ensslin, D.C. Driscoll and A.C. Gossard. Multiple layer local oxidation for fabricating semiconductor nanostructures. Appl. Phys. Lett. 85, 3558 (2004).

115. M. Sigrist, Т. Ihn, К. Ensslin, D. Loss, M. Reinwald, and W. Wegscheider. Phase Coherence in the Inelastic Cotunneling Regime. Phys. Rev. Lett. 96, 036804 (2006).

116. A. Fuhrer, P. Brusheim, T. Ihn, M. Sigrist, K- Ensslin, W. Wegscheider, and M. Bichler. Fano effect in a quantum-ring—quantum-dot system with tunable coupling. Phys. Rev. В 73, 205326(2006).

117. A. Fuhrer, A. Dorn, S. Luscher, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider, M. Bichler. Electronic properties of nanostructures defined in GaAl]As heterostructures by local oxidation. Superlat. Microstruct. 31, 19 (2002).

118. A. Fuhrer, S. Luscher, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider, M. Bichler. Transport properties of quantum dots with steep walls. Phys. Rev. В 63, 125309 (2001).

119. N.J. Curson, R. Nemutudi, N.J. Appleyard, M. Pepper, D.A. Ritchie, and G.A.C. Jones. Ballistic transport in a GaAs/Al^Gai-^As one-dimensional channel fabricated using an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 78, 3466 (2001).

120. G. Mori, M. Lazzarino, D. Ercolani, G. Biasiol, and L. Sorba. Magnetic field and temperature dependence of an atomic force microscope-defined quantum point contact. J. Vac. Sci. Technol. В 22, 570 (2004).

121. R. Held, S. Luscher, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider. Fabricating tunable semiconductor devices with an atomic force microscope. Appl. Phys. Lett. 75, 1134 (1999).

122. S. Luscher, A. Fuhrer, R. Held, T. Heinzel, and K. Ensslin, W. Wegscheider. In-plane gate single-electron transistor in GaAl]As fabricated by scanning probe lithography. Appl. Phys. Lett. 75, 2452 (1999).

123. R. Leturcq, D. Sanchez, G. Gotz, T. Ihn, K. Ensslin, D.C. Driscoll and A.C. Gossard. Magnetic Field Symmetry and Phase Rigidity of the Nonlinear Conductance in a Ring. Phys. Rev. Lett. 96, 126801 (2006).

124. A. Dorn, M. Sigrist, A. Fuhrer, T. Ihn, T. Heinzel, K. Ensslin, W. Wegscheider and M. Bichler. Electronic properties of antidot lattices fabricated by atomic force lithography. Appl. Phys. Lett. 80, 252 (2002).

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

126. D.A. Wharam, T.J. Thornton, R. Newbury, M. Pepper, H. Ahmed, J.E.F. Frost, D.G. Hasko, D.C. Peacockt, D.A. Ritchie and G.A.C. Jones. One-dimensional transport and the quantisation of the ballistic resistance. J. Phys. С 21, L209 (1988).

127. C.W.J. Beenakker and H. van Houten. Quantum Transport in Semiconductor Nanostructures. Solid State Phys. 44, 1 (1991).

128. Л.Г. Глазман, Г.Б. Лесовик, Д.Е. Хмельницкий, Р.И. Шехтер. Безотражательный квантовый транспорт и фундаментальные ступени баллистического сопротивления в микросужениях. Письма вЖЭТФ 48, 218 (1988).

129. М. Buttiker. Quantized transmission of a saddle-point constriction. Phys. Rev. В 41, 7906(1990).

130. J.A. Nixon, J.H. Davies and H.U. Baranger. Breakdown of quantized conductance in point contacts calculated using realistic potentials. Phys. Rev. В 43, 12638(1991).

131. M.J. Laughton, J.R. Barker, J.A. Nixon and J.H. Davies. Modal analysis of transport through quantum point contacts using realistic potentials. Phys. Rev. В 44, 1150 (1991).

132. A. Brataas, K.A. Chao. Non-Adiabatic Transport in Quantum Point Contacts. Mod. Phys. Lett. B, 7, 1021 (1993).

133. Л.И. Глазман, А.В. Хаецкий. Нелинейная квантовая проводимость микросужения. Письма в ЖЭТФ 48, 546 (1998).

134. N.K. Patel, J.T. Nicholls, L. Martn-Moreno, M. Pepper, J.E.F. Frost, D.A. Ritchie, and G.A.C. Jones. Evolution of half plateaus as a function of electric field in a ballistic quasi-one-dimensional constriction. Phys. Rev. В 44, 13549(1991).

135. L.P. Kouwenhoven, B.J. van Wees, C.J.P.M. Harmans, J.G. Williamson, H. van Houten, C.W.J. Beenakker, C.T. Foxon and J. J. Harris. Nonlinear conductance of quantum point contacts. Phys. Rev. В 39, 8040 (1989).

136. C.M. Marcus, A.J. Rimberg, R.M. Westervelt, P.F. Hopkins and A.C. Gossard. Conductance fluctuations and chaotic scattering in ballistic microstructures. Phys. Rev. Lett. 69, 506(1992).

137. P. Boggild, A. Kristensen, H. Bruus, S.M. Reimann, and P.E. Lindelof. Periodic magnetoconductance fluctuations in triangular quantum dots in the absence of selective probing. Phys. Rev. B. 57, 15408(1998).

138. D.P. Pivin Jr., A. Andresen, J.P. Bird, R. Akis and D.K. Ferry. Magnetotransport spectroscopy of a quantum dot: efects of lead opening and phase coherence. Phys. E 6, 404 (2000).

139. B.J. van Wees, L.P. Kouwenhoven, C.J.P.M. Harmans, J.G. Williamson, C.E. Timmering, M.E.I. Broekaart, C.T. Foxon and J.J. Harris. Observation of zero-dimensional states in a one-dimensional electron interferometer. Phys. Rev. Lett. 62, 2523(1989).

140. Д.Ю. Шарвин, Ю.В. Шарвин. Квантование магнитного потока в цилиндрической пленке из нормального металла. Письма в ЖЭТФ 34, 285 (1981).

141. V. Chandrasekhar, M.J. Rooks, S. Wind and D.E. Prober. Observation of Aharonov-Bohm Electron Interference Effects with Periods h/e and h/2e in Individual Micron-Size, Normal-Metal Rings. Phys. Rev. Lett. 55, 1610 (1985).

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

143. A.A. Быков, З.Д. Квон, Е.Б. Ольшанецкий, Jl.В. Литвин, Ю.В. Настаушев, В.Г. Мансуров, В.П. Мигаль, С.П. Мощенко, В.Г. Плюхин. Квазибаллистический электронный интерферометр. Письма вЖЭТФ 57, 596(1993).

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

145. C.W.J. Beenakker. Random-matrix theory of quantum transport. Rev. Mod. Phys. 69, 731 (1997).

146. R. Akis, J.P. Bird, D. Vasileska, D.K. Ferry, A.P. S. de Moura, Y.-C. Lai in "Electron Transport in Quantum Dots"edited by J. P. Bird. Kluwer Academic Publishers (2003).

147. J.P. Bird. Recent experimental studies of electron transport in open quantum dots. J. Phys.: Cond. Matt. 11, R413 (1999).

148. A.M. Chang, H.U. Baranger, L.N. Pfeiffer and K.W. West. Weak Localization in Chaotic versus Nonchaotic Cavities: A Striking Difference in the Line Shape. Phys. Rev. Lett. 73, 2111 (1994).

149. О.В.Лоуиасмаа. Принципы и методы получения температур ниже 1 К. Москва, "Мир" (1977).

150. В.С.Храпай. Межэлектронное взаимодействие в двумерных системах с изоспи-новой степенью свободы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (2003).

151. G. Muller, Е. Diessel, D. Weiss, К. von Klitzing, К. Ploog, Н. Nickel, W. Schlapp and R. Losch. Influence of interedge channel scattering on the magneto-transport of 2D-systems. Surf. Sci. 263,280(1992).

152. A. Wiirtz, R. Wildfeuer, A. Lorke, E.V. Deviatov, and V.T. Dolgopolov. Separately contacted edge states: A spectroscopic tool for the investigation of the quantum Hall effect. Phys. Rev. В 65, 075303 (2002).

153. D. Paget, G. Lampel, B. Sapoval, and V. S. Safarov. Low field electron-nuclear spin coupling in gallium arsenide under optical pumping conditions. Phys. Rev. В 15, 5780 (1977).

154. Yu.V. Pershin, S.N. Shevchenko, I.D. Vagner and P. Wyder. Electronic transport through a nuclear-spin-polarization-induced quantum wire. Phys. Rev. В 66, 035303 (2002).

155. V.T. Dolgopolov, A.A. Shashkin, and E.V. Deviatov, F. Hastreiter, M. Hartung, A. Wixforth, K.L. Campman and A.C. Gossard. Electron subbands in a double quantum well in a quantizing magnetic field. Phys. Rev. В 59, 13235 (1999).

156. В.Л.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. ТЕХНОСФЕРА, Москва (2004).

157. В. Grbic, R. Leturcq, К. Ensslin, D. Reuter and A.D. Wieck. Single-hole transistor in p-type GaAs/AlGaAs heterostructures. Appl. Phys. Lett. 87, 232108 (2005).

158. S.F. Fischer, G. Apetrii, S. Skaberna, U. Kunze, D. Reuter and A.D. Wieck. Control of the confining potential in ballistic constrictions using a persistent charging effect. Appl. Phys. Lett. 81, 2779 (2002).

159. F.A. Maao, I.V. Zozulenko and E.H. Hauge. Quantum point contacts with smooth geometries: exact versus approximate results. Phys. Rev. В 50, 17320 (1994).

160. K.J. Thomas, M.Y. Simmons, J.T. Nicholls, D.R. Mace, M. Pepper, and D.A. Ritchie. Ballistic transport in one-dimensional constrictions formed in deep two-dimensional electron gases. Appl. Phys. Lett. 67, 109 (1995).

161. H. Linke, L. Christensson, P. Omling, P. E. Lindelof. Stability of classical electron orbits in triangular electron billiards. Phys. Rev. B. 56, 1440 (1997).

162. P.D. Ye, S. Tarucha. Internal magnetic focusing in an array of ballistic cavities. Phys. Rev. B. 59, 9794(1999).

163. B. Hackens, F. Delfosse, S. Faniel, C. Gustin, H. Boutry, X. Wallart, S. Bollaert, A. Cappy, and V. Bayot. Long dephasing time and high-temperature conductance fluctuations in an open InGaAs quantum dot. Phys. Rev. B. 66, 241305(R)(2002).

164. R.H. Blick, F.G. Monzon, W. Wegscheider, M. Bichler, F. Stern, and M.L. Roukes. Magnetotransport measurements on freely suspended two-dimensional electron gases. Phys. Rev. B. 62, 17103 (2000).

165. G. Scappucci, L. Di Gaspare, F. Evangelisti, E. Giovine, A. Notargiacomo, R. Leoni, V. Piazza, P. Pingue, and F. Beltram. Low field magnetotransport in strained Si/SiGe cavities. Phys. Rev. B. 71, 245311 (2005).

166. A.G. Huibers, M. Switkes, C.M. Marcus, K. Campman and A.C. Gossard. Dephasing in Open Quantum Dots. Phys. Rev. Lett. 81, 200 (1998).

167. J.A. Nixon and J.H. Davies. Potential fluctuations in heterostructure devices. Phys. Rev. В 41, 7929(1990).