Спинозависимые кинетические явления в наноструктурах на основе фторида кадмия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

00460932

ГИМБИЦКАЯ ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

СПИНОЗАВИСИМЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В НАНОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ФТОРИДА КАДМИЯ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 О СЕН 2010

Санкт-Петербург - 2010

004609329

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук Романов Владимир Викторович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Гасумянц Виталий Эдуардович

Доктор физико-математических наук, профессор Вывенко Олег Федорович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится « » октября 2010 г. в ч. — мин. на заседании диссертационного совета Д212.229.29 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, II уч. корп., ауд.265.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « ^»сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание широкозонных полупроводниковых материалов и гетероетруктур, обеспечивающих получение излучателей и фотоприемников в широком диапазоне длин волн ультрафиолетовой и видимой областей спектра, а также - быстродействующих логических элементов вычислительной техники и дисплеев нового поколения, является важным направлением полупроводниковой нано- и оптоэлектроники. Перспективным широкозонным полупроводником для этих целей является фторид кадмия (Сс1Р2), ширина запрещенной зоны которого, 7.8 эВ, в 1,5 раза больше чем у алмаза. Тем не менее, несмотря на простоту и воспроизводимость технологии, кристаллический С(1Р2 до недавнего времени оставался вне поля зрения физики полупроводников из-за монополярного характера проводимости («-типа) [1-3].

Впервые это ограничение было преодолено путем диффузии бора, которая позволила получить гетероструктуры р+-81 - и-Сс1Р2 в условиях осаждения поликремния из газовой фазы на поверхность кристалла л-Сс1Р2, чему способствовало совпадение постоянных решеток (5.43 А - 5.46 А -С(1Р2) и электронного сродства (4 эВ - 81, Сс^г) кремния и фторида кадмия [4, 5]. Поэтому получение сверхмелких р+-п - переходов на поверхности кристалла п-СёР2 представляется экспериментально реализуемой задачей. Кроме того, идентификация гетеропереходов //-81 - и-Сс1Р2 показала, что с помощью примесной диффузии из газовой фазы можно получить низкоразмерные структуры на основе фторида кадмия, которые являются достаточно перспективными для решения различных задач высокотемпературной нано- и оптоэлектроники. Особенно интересным может оказаться использование сверхмелких р*-п -Сс1Р2- переходов и наноструктур на их основе для экспериментальной реализации электронно-волновых аналогов электро-оптических модуляторов, наиболее ярким представителем которых является спиновый транзистор [6].

Вышесказанное определяет актуальность темы настоящей работы, в рамках которой диффузия бора использовалась для получения планарных сверхмелких //-«-переходов, представляющих собой сандвич-структуры Сс1ВхР2_х/р-С(1Р2-(3\\7Сс1ВхР2_х на поверхности кристаллов Сс1Р2 и-типа проводимости. В процессе исследований полученных структур основное внимание уделялось изучению спиновой поляризации дырок, возникающей вследствие рассеяния на центрах бора, а также - возможностям ее использования в модельных приборных структурах спинтроники таких, как спиновый транзистор и холловский мостик [7, 8] для наблюдения квантового спинового эффекта Холла.

Цель работы заключалась в обнаружении и исследовании эффекта

спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла в

планарных наноструктурах на основе фторида кадмия.

В задачи работы, входило изучение следующих вопросов:

1. Получение сверхузких квантовых ям С(1Р2 р-типа проводимости, ограниченных сильнолегированными бором 8-барьерами, на поверхности кристалла фторида кадмия «-типа.

2. Идентификация энергетических позиций подзон двумерных дырок в квантовой яме р- Сс1Р2.

3. Исследование электрических, магнитных и оптических свойств сильно-легированных бором 5 - барьеров, ограничивающих квантовую яму р- Сс1Р2.

4. Регистрация ВАХ высокого разрешения при различных температурах для изучения взаимосвязанности характеристик размерного квантования дырок в квантовой яме р- Сс1Р2 и квантования сверхтока в 8 - барьерах, проявляющих свойства высокотемпературных сверхпроводников.

5. Обнаружение и исследование спиновой поляризации двумерных дырок с помощью измерений характеристик квантового эффекта Холла.

6. Идентификация ВАХ спинового транзистора и квантового эффекта Холла с помощью исследований продольной и поперечной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора, управляющего величиной спин-орбитального взаимодействия в валентной зоне квантовой ямы Сс1Р2 р-типа.

Научная новизна работы.

1. Измерения туннельных ВАХ, температурных и полевых зависимостей

сопротивления, статической магнитной восприимчивости и теплоемкости планарных сандвич-структур Сс1ВхР2.х//>Сс1Р2-(3\У/Сс1ВхР2.х, полученных на поверхности кристалла и-Сс1Р2, позволили идентифицировать сверхпроводящие свойства 5 - барьеров Сс1ВхР2.х, ограничивающих сверхузкую квантовую яму Сс1Р2 р-типа проводимости.

2. Обнаружена взаимосвязанность квантования сверхтока и размерного

квантования дырок в квантовой яме р-С&¥2, ограниченной сверхпроводящими 5 - барьерами Сс1ВхР2.х.

3. Впервые, при комнатной температуре, наблюдались осцилляции Шубникова - де Гааза и квантовая лестница холловского сопротивления в квантовой ямеСс1Р2 р-типа проводимости на поверхности кристалла п-Сй¥2.

4. Показано, что внутри энергетического интервала сверхпроводящей щели

ВАХ спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла

определяются спектром многократного андреевского отражения дырок, возникающим при изменении напряжения вертикального затвора. 5. Вне интервала сверхпроводящей щели обнаруженная В АХ квантового спинового эффекта Холла представляет собой квантовую лестницу проводимости с амплитудой ступенек равной е2/Н, которая взаимосвязана с осцилляциями продольной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора, контролирующего величину спин-орбитального взаимодействия Бычкова-Рашбы. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнительным анализом экспериментальных данных, полученных с помощью различных методик, а также их соответствием с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными и теоретическими результатами изучения спиновой интерференции в низкоразмерных полупроводниковых структурах. Научная и практическая значимость диссертационного исследования определяется экспериментальной реализацией сверхмелких планарных р+-п - переходов на поверхности кристалла и-С(1р2 в условиях диффузии бора; идентификацией квантоворазмерных сандвич-структур внутри р+-п — переходов, которые представляют собой квантовые ямы /?-Сс1Р2, ограниченные сверхпроводящими 5 - барьерами, и демонстрируют взаимосвязанность размерного квантования дырок и квантования сверхтока; обнаружением квантового эффекта Холла в сандвич-структурах при комнатной температуре; обнаружением спиновой поляризации двумерных дырок вследствие спинозависимого рассеяния на дипольных центрах бора; регистрацией эффекта спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла в условиях спиновой поляризации дырок в краевых каналах квантовой ямы р-СА?г. Защищаемые положения:

1. Низкотемпературная диффузия бора позволяет получать сверхузкие квантовые ямы С(1Р2 р-типа проводимости, ограниченные 5 -барьерами на поверхности кристалла фторида кадмия «-типа.

2. Сильнолегированные бором 5 -барьеры, ограничивающие квантовую яму С(1Р2 р-типа проводимости проявляют свойства высокотемпературных сверхпроводников, вследствие чего энергетические позиции двумерных дырочных подзон определяют характеристики квантования сверхтока.

3. Спинозависимое рассеяние дырок на центрах бора в краевых каналах квантовых ям Сс1Р2 р-типа проводимости, ограниченных сверхпроводящими 8 -барьерами, приводит к их спиновой поляризации, которая отражается в характеристиках квантового эффекта Холла.

4. Наличие спиновой поляризации в краевых каналах квантовой ямы Сс1р2 р-типа проводимости позволяет наблюдать эффект спинового

транзистора и квантовый спиновый эффект Холла, которые проявляются соответственно в осцилляциях продольной проводимости и квантовой лестнице поперечной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора, управляющего величиной спин-орбитального взаимодействия. Причем энергетические позиции максимумов осцилляций продольной проводимости строго совпадают с серединами квантовых ступеней поперечной проводимости, е2/И. Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 9-й и 10-й Международных конференциях по нанофизике и нанотехнологии, 1СК&Т-9, ГСИ&Т -10 (Базель, Швейцария, 2007, Стокгольм, Швеция, 2008); 17-й и 18-й Международных конференциях по электронным свойствам двумерных систем, ЕР208-17, ЕР208-18 (Генуя, Италия, 2007; Кобе, Япония, 2009); 6-й Международной конференции по квантовым вихрям в наноструктурированных сверхпроводниках, УОКТЕХ-б (Родос, Греция, 2009).

Публикации: по результатам исследований, изложенных в диссертации, имеется 6 публикаций в ведущих отечественных и международных журналах. Список публикаций приведен в конце диссертации. Структура диссертации: Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении определяется актуальность темы диссертационной работы, перечислены основные новые результаты, обосновывается их научная и практическая значимость, представлена структура диссертации и приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвященный исследованию физических свойств полупроводниковых кристаллов СсН^.

В первом параграфе кратко рассматриваются физические эффекты, которые наблюдались во фторидных кристаллах, легированных редкоземельными ионами. Показано, что Сс1Р2 - это кристалл с преимущественно ионным характером связи, обладающий фундаментальным свойством примесного полупроводника - наличием водородоподобных донорных орбиталей, характеристики которых слабо зависят от химической природы легирующей примеси. Рассмотрены основные направления применения кристаллов Сс1Р2, использующие такие свойства, как большую ширину запрещенной зоны и большое сродство к электрону.

Второй параграф посвящен физико-химическим аспектам получения полупроводниковых кристаллов Сс1Р2. В нем подробно рассмотрены

вопросы роста кристаллов СсШ?, а также методы и технология их аддитивного окрашивания, в результате которого кристалл приобретает проводимость «-типа.

В третьем параграфе подробно рассматривается электронная структура бистабильных центров в Сс№2. Большое внимание уделено изучению поведения ОХ-центр о в в ионных кристаллах, которое в большой степени влияет на их электрические и оптические свойства.

В конце главы формулируются цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются вопросы получения и идентификации р*-п переходов на поверхности кристалла Сс1Р2 «-типа.

В первом параграфе анализируются возможности введения в кристаллы фторида кадмия акцепторных центров. Показано, что одним из оптимальных путей получения дырочной проводимости кристаллов Сс№2 является замена фтора в узле решетки бором, что в данной работе осуществлялось с помощью диффузии бора из газовой фазы. Следует отметить, что в процессе легирования бором наблюдалось частичное обесцвечивание кристалла и-Сс1Р2, сопровождающееся его переходом в полуизолирующий режим. Поэтому для восстановления «-типа проводимости в объеме кристалла Сс1Р2, предварительно легированного иттрием в концентрации 0.15 %, применялось дополнительное термохимическое окрашивание, следующее за процессом газофазного легирования. Данная методика позволила впервые получить планарные сверхмелкие рг - диффузионные профили бора на поверхности кристаллов и-Сс^г. Холловские контакты к легированной бором поверхности кристалла п-С&?2 формировались путем напыления золота, тогда как к обратной поверхности кристалла контакты были получены в процессе низкотемпературного газофазного осаждения силицида иттербия. Кроме того, планарные р! -«-переходы были снабжены вертикальными затворами для измерения прямой и обратной ВАХ, а также - для туннельной спектроскопии дырочных подзон размерного квантования в сверхмелкой р' -области и варьирования величиной спин-орбитального взаимодействия в процессе транспорта двумерных дырок ее в плоскости

Получение р*-«-переходов на поверхности кристаллов Сс1Р2 «-типа было идентифицировано на основании данных изучения вольт-амперных характеристик (ВАХ). Прямые ветви ВАХ выявляют наличие запрещенной зоны Сс1Р2, 7.8 эВ, которое определяет формирование р1 -«-перехода.

Во втором параграфе рассматриваются эффекты туннелирования и проводится идентификация строения валентной зоны Сс1Р2. Изучение поведения ВАХ высокого разрешения позволило выявить особенности строения валентной зоны Сс1Р2. Полученные ВАХ высокого разрешения согласуются как с расчетами энергетического строения валентной зоны

фторида кадмия [9], так и с результатами определения плотности состояний в этой зоне, полученными методом оптической и фотоэлектронной спектроскопии [5, 10]. В частности, экситонный пик и прямые переходы Г15-Г1 и Г25-Г1 проявляются соответственно при 7.87 эВ, 8.5 эВ и 9.98 эВ, тогда как переходы, возникающие из-за наличия Х5-, и X] состояний валентной зоны Сс1Р2, разрешаются в энергетическом интервале 10.9 ^ 11.2 эВ. В свою очередь состояния С<12+(4с1) наблюдаются при значениях прямого смещения 13.27 эВ и 13.74 эВ. Наблюдаемое расщепление с1-состояния, возможно, является следствием спин-орбитального расщепления или расщепления, индуцированного кристаллическим полем [5, 10].

Третья глава посвящена исследованию физических свойств наноразмерных сандвич-структур СсШ^-х/р-Сс^-С^/СсШ^-,, на поверхности кристалла п-С6Р2.

Исследования ВАХ и температурных зависимостей сопротивления в плоскости //-слоев, сильнолегированных бором, на поверхности кристалла Сс1Р2 «-типа свидетельствуют о наличии квазидвумерного газа дырок. Эти результаты показывают, что //-слои проявляют свойства сверхузких квантовых ям Сс1Р2 р -типа проводимости, которые ограничены 5-барьерами СсШхР2.х. На важную роль прямой ветви ВАХ в идентификации характеристик квантовой ямы указывает участок отрицательного дифференциального сопротивления, который обусловлен уменьшением вероятности туннелирования дырок из квантовой ямы Сс1Р2 р -типа в зону проводимости л-Сс1Р2 при увеличении прямого напряжения. Значительная протяженность ВАХ до участка отрицательного дифференциального сопротивления, во-первых, указывает на соответствие глубины квантовой ямы энергетическому строению валентной зоны СёР2, а, во-вторых, позволяет провести детальное исследование спектра подзон двумерных дырок, результаты которого представлены в первом параграфе.

В рамках данной задачи ВАХ высокого разрешения тока и проводимости были измерены при двух значениях температуры, которые не только определили энергетические позиции дырочных подзон в квантовой яме С<ЗР2 р -типа, но и принесли неожиданный результат: частное от деления амплитуды каждого пика тока, измеренного при 298К, на амплитуду соответствующего ему пика проводимости, измеренного при 345К, оказалось равным одной и той же величине - лЛ/е (где ¿1=51.03 мэВ). Полученные результаты указывают на важную роль двумерных дырочных подзон в формировании «эффекта близости», который возникает вследствие андреевского отражения в так называемых сандвич-структурах -сверхузких квантовых ямах, ограниченных сверхпроводящими барьерами [11]. В рамках «эффекта близости», пики сверхтока, 1С, (Г < Тс, где Тс -температура перехода в сверхпроводящее состояние) определяются

энергетическим спектром двумерных дырок и взаимосвязаны с величиной соответствующих минимумов проводимости «сандвич-структуры в нормальном состоянии, (Т > Тс) путем отмеченного выше

фундаментального соотношения: /Д7д? = пА/г [12]. Таким образом, на основании детального изучения ВАХ делается вывод о том, что 5-барьеры СсШхР2.х, ограничивающие сверхузкую квантовую яму СсШ2 р— типа проводимости являются высокотемпературными сверхпроводниками, что определяет взаимосвязанность размерного квантования дырок и квантования сверхтока в сандвич-структуре С(ЗВхр2-х//5-Сс1р2-(3\,//Сс1Вхр2.х.

Далее обсуждается возможный механизм сверхпроводящих свойств 6-барьеров, сильнолегированных бором, который основан на формировании дипольных центров бора с отрицательной корреляционной энергией (2В°=>В' + В). Так как фторид кадмия является ионным широкозонным полупроводником, при его легировании бором в условиях избытка вакансий фтора возникают практически идеальные возможности для реконструкции нейтральных атомов бора. Данная реконструкция, по-видимому, сопровождается образованием дипольных центров бора. Таким образом, в процессе диффузии бора на поверхности кристалла Сс1Р2 и-типа проводимости формируется последовательность квантоворазмерных р+-п -переходов, которая представляет собой квантовую яму Сс1Р2 р -типа проводимости, ограниченную наноструктурированными 5 - барьерами

савхр2.х

Во втором параграфе приведены результаты исследований характеристик 5-барьеров Сс1ВхР2.х, ограничивающих квантовую яму Сс1Р2 р -типа проводимости. С помощью измерений туннельных ВАХ, температурных и полевых зависимостей сопротивления, статической магнитной восприимчивости и теплоемкости планарных сандвич-структур Сс1ВхР2-х/р-Сс]р2-С>У//СсШхр2-х, полученных на поверхности кристалла п-Сс1р2, были идентифицированы сверхпроводящие свойства 5 - барьеров Сс1ВхР2.х, ограничивающих сверхузкую квантовую яму Сс1Р2 р-типа проводимости. Кроме того, наличие сверхпроводящей щели было идентифицировано на основании результатов измерений туннельных ВАХ, полученных с помощью локальной туннельной спектроскопии. Причем, полученное значение энергии сверхпроводящей щели согласуется с данными измерений критической температуры при использовании вышеперечисленных методов. При этом было показано, что, в условиях прямого напряжения смещения, регистрация джозефсоновского пика тока в позиции каждой дырочной подзоны при ее прохождении через сверхпроводящую щель сопровождается наличием спектра многократного андреевского отражения.

Четвертая глава посвящена изучению квантового эффекта Холла в сандвич-структурах СсШхРг-х/р-Сс^г-рХУ/СсШхРг.х.

В первом параграфе приведено описание классического эффекта Холла и представлены экспериментальные данные по его исследованию в исторической ретроспективе.

Второй параграф посвящен вопросам поведения двумерного электронного газа в магнитном поле. Подробно рассмотрены особенности поведения носителей заряда в сильных магнитных полях в системах с пониженной размерностью.

В третьем параграфе подробно рассмотрены экспериментальные результаты и теоретические аспекты исследований квантового эффекта Холла. На основании рассмотрения работ фон Клитцинга [7] и Лафлина [8] объясняется обнаружение кванта сопротивления Ые2.

В четвертом параграфе приведены результаты экспериментальных исследований квантового эффекта Холла в наноструктурах на основе фторида кадмия, проведенных при комнатной температуре. Показано, что наблюдение квантового эффекта Холла при комнатной температуре в сандвич-структуре Сс1ВхР2.х - р-С(№2 - Сс1Вхр2-х на поверхности кристалла и-Сс1р2, стало возможным благодаря большому энергетическому зазору между уровнями Ландау, йсос, вследствие крайне малой эффективной массы двумерных дырок в квантовой яме р-С(№2, тец =3.44- 10"4дан. При этом, аналогично результатам, полученным при исследовании графена [13], при комнатной температуре наблюдались осцилляции Шубникова - де Гааза и квантовая лестница холловского сопротивления. Следует отметить, что исследуемые квантовые ямы на основе СсШ2 допускают для плотности двумерных дырок вплоть до 10й м"2 заполнение единственной двумерной подзоны, что существенно для наблюдения лестницы холловского сопротивления в относительно слабом магнитном поле. Проведенные исследования показали, что подвижность дырок, ¡л, при этом не меняется существенно в интервале температур от жидкого азота до комнатной, и приближение сильного поля шс г = /и-В »1 достигается в полях порядка нескольких десятков мТ.

Одной из причин образования двумерных дырок с крайне малой эффективной массой в сандвич-структуре Сс]ВхР2_х - р-Сс1Р2 - Сс1ВхР2.х, которая лежит в основе регистрации квантового эффекта Холла при комнатной температуре, по-видимому, является формирование квантово-размерного р'-п - перехода. В этом случае широкая запрещенная зона Сс1Р2, 7.8 эВ, практически исчезает, что приводит к инверсии дырочных и электронных состояний вблизи области р*-п - перехода. Дополнительным фактором, способствующим стабилизации данной инверсии состояний, по-видимому, является пиннинг уровня Ферми, обусловленный образованием энергетической щели вблизи валентной зоны 5-барьеров Сс1ВхР2.х. Возможны и другие версии формирования двумерных дырок с крайне малой эффективной массой вследствие их взаимодействия с дипольными

центрами бора в 8-барьерах, которые нуждаются в дальнейших исследованиях.

В пятой главе приведены результаты по обнаружению и исследованию эффекта спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла в сандвич-структурах СсЮхР2-х/р-Сс1р2-(ЗШ/Сс1Вхр2_х.

В начале главы представлен краткий обзор различных версий низкоразмерных полупроводниковых структур, в которых возможно наблюдение спинозависимого транспорта носителей тока. Показано, что в рамках классического эффекта спинового транзистора модуляция тока возникает вследствие квантовых интерференционных эффектов, а именно из-за спиновой прецессии, обусловленной спин-орбитальным взаимодействием (СОВ) в сверхузкой квантовой яме, которая является основным элементом полевого транзистора, в то время как магнитные контакты, играющие роль истока и стока, используются предпочтительно для инжекции и детектирования определенных спиновых ориентации [6]. По аналогии с электрооптическим материалом, дифференциальный фазовый сдвиг, вносимый между поляризованными и -г

поляризованными электронами, может контролироваться напряжением на вертикальном затворе полевого транзистора, которое управляет величиной СОВ в квантовой яме [6]. Предполагается, что доминирующим механизмом спинового энергетического расщепления между электронами со спинами вверх и вниз в нулевом магнитном поле является терм Бычкова-Рашбы [14, 15], учтенный в гамильтониане эффективной массы [6]. Таким образом, в рамках описанной структуры полевого транзистора может возникать модуляция тока вследствие спиновой прецессии в условиях СОВ, тем самым, идентифицируя операции спинового транзистора в зависимости от напряжения вертикального затвора. Далее отмечается, что для наблюдения эффекта спинового транзистора, по-видимому, целесообразно использовать узкие квантовые ямы р- типа проводимости. С одной стороны, значительный энергетический зазор между уровнями размерного квантования обеспечивает относительно небольшие изменения в плотности и подвижности двумерных дырок при изменении напряжения вертикального затвора, а с другой стороны, в сверхузких квантовых ямах могут возникнуть условия для их спонтанной спиновой поляризации [16, 17]. Это позволит исследовать процессы спиновой интерференции с помощью обычных контактов исток-сток без выполнения ими функций поляризатора и анализатора. В заключение представлен анализ преимуществ использования планарных сандвич-структур для изучения спинозависимого транспорта носителей в плоскости квантовой ямы, одним из которых является наличие краевых проводящих каналов, которые могут возникать вследствие усиления сверхпроводящих свойств по периметру 8-барьеров. При этом свободные носители, по-видимому, практически

отсутствуют в плоскости квантовой ямы, и только по ее периметру процессы андреевского отражения могут способствовать их продольному транспорту. В этих условиях можно ожидать значительной спиновой поляризации носителей тока как по причине спиновой зависимости андреевского отражения, определяемой тригональной симметрией дипольных центров бора внутри 5-барьеров, так и в результате их спонтанной спиновой поляризации [16].

В первом параграфе представлены результаты по обнаружению резонансного поведения продольной эдс в слабом магнитном поле, перпендикулярном плоскости квантовой ямы р-Сй¥ъ которое свидетельствует о высокой степени спиновой поляризации двумерных дырок. В рамках предлагаемой модели резонанс продольной эдс возникает в точке антипересечения магнитных подуровней дипольных центров бора в возбужденном триплетном состоянии. Наличие спиновой поляризации в квантовой яме р-СА¥2 позволило обнаружить и идентифицировать ВАХ спинового транзистора на основе сандвич-структур СсШхР2_х/р-С(1Р2-<3\У/СсЩхр2.х на поверхности кристалла «-С(1Р2, который проявляется в виде соответствующих осцилляций продольной проводимости Ааронова-Кашера с амплитудой порядка е2/к. Обнаруженные осцилляции продольной проводимости показывают, что полученная структура действительно представляет собой версию спинового транзистора, поскольку они абсолютно симметричны при изменении знака напряжения на вертикальном затворе. Кроме того, на основании измеренного периода осцилляций проводимости Ааронова-Кашера была определена величина эффективной массы тяжелой дырки, 3.44-10"4 т0, низкое значение которой является важной основой для обнаружения спинозависимого транспорта при высоких температурах и проводит параллель между свойствами сандвич-структур и графена [13].

Во втором параграфе рассмотрены ВАХ квантового спинового эффекта Холла в сандвич-структурах СсШ^-х/р-Сс^-С^/СсШ^х на поверхности кристалла и-Сс)Р2. Показано, что высокая степень спиновой поляризации дырок в условиях спинозависимого рассеяния на дипольных центрах бора, находящихся в возбужденном триплетном состоянии, а также - многократного андреевского отражения, возникает преимущественно в краевых каналах по периметру квантовой ямы р-С&¥2. В свою очередь, наличие высокой степени спиновой поляризации дырок в краевых каналах позволяет обнаружить отличную от нуля проводимость при нулевом напряжении вертикального затвора в холловской геометрии эксперимента, которая свидетельствует о регистрации квантового спинового эффекта Холла.

Показано, что внутри энергетического интервала сверхпроводящей щели ВАХ спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла

определяются спектром многократного андреевского отражения дырок, возникающим при изменении напряжения вертикального затвора. В этом случае спин-орбитальное взаимодействие Рашбы является ответственным за амплитудную модуляцию данного спектра многократного андреевского отражения. Вне интервала сверхпроводящей щели обнаруженная ВАХ квантового спинового эффекта Холла представляет собой квантовую лестницу проводимости с амплитудой ступенек равной е2/И, которая взаимосвязана с осцилляциями продольной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора. Причем позиции пиков продольной проводимости в энергетической шкале вертикального затвора соответствуют середине квантовых ступенек в квантовой лестнице поперечной проводимости в холловской геометрии. Данный результат объясняется в рамках модели классического спинового транзистора в условиях спин-орбитального взаимодействия Бычкова-Рашбы с учетом наличия краевых каналов, в которых реализуется режим спинозависимого транспорта поляризованных дырок.

В Заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сверхмелкие р'-«-переходы на поверхности кристаллов и-Сс1Р2 были получены с помощью диффузии бора из газовой фазы.

2. Прямые ветви ВАХ р'-«-переходов проявляют запрещенную зону, 7.8 эВ, а также позволяют идентифицировать строение валентной зоны кристаллов фторида кадмия. Наблюдаемая ВАХ высокого разрешения находится в хорошем согласии с данными, полученными с помощью методов оптической и фотоэлектронной спектроскопии.

3. Измерения туннельных ВАХ, температурных и полевых зависимостей сопротивления, статической магнитной восприимчивости и теплоемкости планарных сандвич-структур Сс1ВхР2-х/р-Сс1р2-С)У//Сс1Вхр2-х, полученных на поверхности кристалла «-Сс1Р2, позволили идентифицировать сверхпроводящие свойства 5 - барьеров Сс]ВхР2.х, ограничивающих сверхузкую квантовую яму СсШ2 р-типа проводимости.

4. Сравнительный анализ токовых ВАХ и ВАХ проводимости соответственно ниже и выше критической температуры сверхпроводящего перехода свидетельствует о взаимосвязанности квантования сверхтока и размерного квантования дырок в квантовой яме р-Сй¥2. Причем регистрация джозефсоновского

пика тока в позиции каждой дырочной подзоны сопровождается наличием спектра многократного андреевского отражения.

5. Впервые наблюдались осцилляции Шубникова - де Гааза и квантовая лестница холловского сопротивления в квантовой яме р-С(1Р2, ограниченной 8-барьерами С<ЗВХР2.Х, на поверхности «~Сс1Р2. Благодаря низкой эффективной массе двумерных дырок, наблюдение квантового эффекта Холла стало возможным при комнатной температуре.

6. Обнаружено резонансное поведение продольной эдс в слабом магнитном поле, перпендикулярном плоскости квантовой ямы р-Сс1Р2, которое свидетельствует о высокой степени спиновой поляризации двумерных дырок. В рамках предлагаемой модели резонанс продольной эдс возникает в точке антипересечения магнитных подуровней дипольных центров бора в возбужденном триплетном состоянии.

7. Показано, что в условиях многократного андреевского отражения и спинозависимого рассеяния на дипольных центрах бора, находящихся в возбужденном триплетном состоянии, возникает высокая степень спиновой поляризации дырок в краевых каналах по периметру квантовой ямы р-С6Р2. В свою очередь, наличие высокой степени спиновой поляризации дырок в краевых каналах позволило обнаружить отличную от нуля проводимость при нулевом напряжении вертикального затвора в холловской геометрии эксперимента, которая свидетельствует о регистрации квантового спинового эффекта Холла.

8. Показано, что внутри энергетического интервала сверхпроводящей щели ВАХ спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла определяются спектром многократного андреевского отражения дырок, возникающим при изменении напряжения вертикального затвора. Вне интервала сверхпроводящей щели обнаруженная ВАХ квантового спинового эффекта Холла представляет собой квантовую лестницу проводимости с амплитудой ступенек равной е2/к, которая взаимосвязана с осцилляциями продольной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора. Причем позиции пиков продольной проводимости в энергетической шкале вертикального затвора соответствуют середине квантовых ступенек в квантовой лестнице поперечной проводимости в холловской геометрии. Данный результат объясняется в рамках модели классического спинового транзистора в условиях изменения спин-орбитального взаимодействия Бычкова-Рашбы с помощью напряжения вертикального затвора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Moser F., Matz D., Lyu S., Infrared Optical Absorption in Semiconducting CdF2:Y Crystals, Phys. Rev., v.182, p.808 (1969).

2. Eisenbergre P., Pershan P.S., Electron-Spin-Resonance and Infrared Studies of Semiconducting, Rare-Earth-Doped CdF2, Phys. Rev., v.167, p.292 (1968).

3. Eisenbergre P., Pershan P.S., Feldman B.J., Microwave Magnetoabsorption at Low Temperatures in Semiconducting CdF2, Phys. Rev. B, v.4, p.3402 (1971).

4. Баграев H.T., Клячкин JI.E., Маляренко A.M., Щеулин A.C., Рыскин А.И., Гетеропереходы p+-Si~n-CdF2, ФТП, т.39, с.557 (2005).

5. Orlowski В.А., Langer J.M., Band structure of CdF2 from photoemission measurements, Acta Physica Polonica, A, v.63, p.107 (1983).

6. Datta S. and Das В., Electronic analog of the electro-optic modulator, Appl. Phys. Lett., v.56, p.665 (1990).

7. von Klitzing K., Dorda G., Pepper M., New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance, Phys.Rev.Lett., v.45, p.494 (1980).

8. Лафлин P.Б., Дробное квантование, УФН, т.170, с.292 (2000).

9. Albert J.P., Jouanin С., Gout G., Electronic energy bands in the fluorite structure: CaF2 and CdF2, Phys. Rev. B, v.16, p.4619 (1977).

10. Poole R.T., Nicholson J.A., Liesegang J., Jenkin J.G., Leckey R.C.G., Electronic structure of ZnF2, CdF2, and HgF2 studied by ultraviolet photoelectron spectroscopy, Phys. Rev. B, v.20, p. 1733 (1979).

11. Klapwijk T.M., Proximity effect from an Andreev perspective, Journal of Superconductivity Incorporating Novel Magnetism, v.17, p.593 (2004).

12. Beenakker C.W.J., van Houten H., Josephson current through a superconducting quantum point contact shorter than the coherence length, Phys. Rev. Letters, v.66, p.3056 (1991).

13. Geim A.K., Novoselov K. S., The rise of graphene, Nature Materials, v.6, p. 183 (2007).

14. Rashba E.I., Looking Back, Journal of Superconductivity, Incorporating Novel Magnetism, v. 16, p.599 (2003).

15. Aronov A.G., Lyanda-Geller Y.B., Spin-orbit Berry phase in conducting rings, Phys. Rev. Lett., v.70, p.343 (1993)

16. Ghosh A., Ford C.J.B., Pepper M., Beere H.E., Ritchie D.A., Possible Evidence of a Spontaneous Spin Polarization in Mesoscopic Two-Dimensional Electron Systems, Phys. Rev. Lett., v92, pi 16601 (2004).

17. Bagraev N.T., Ivanov V.K., Klyachkin L.E., Shelykh I.A., Spin depolarization in quantum wires polarized spontaneously in a zero magnetic field, Phys. Rev. B, v.70, p. 155315 (2004).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Bagraev N.T., Bovt M.I., Guimbitskaya O.N., Klyachkin L.E., Malyarenko A.M., Ryskin A.I., Shcheulin A.S., Spin-dependent transport in p+-CdBxF2.x - n-CdF2 planar structures, Journal of Physics: Conference Series, v.61, p.p.61-65 (2007).

2. Bagraev N.T., Bovt M.I., Guimbitskaya O.N., Klyachkin L.E., Malyarenko A.M., Romanov V.V., Ryskin A.I., Shcheulin A.S., Spin transistor and spin Hall effects in p-type CdBxF2.x quantum well on the n-type CdF2 surface, Physica E, v.40, p.p. 1913-1915 (2008).

3. Баграев H.T., Гимбицкая O.H., Клячкин JI.E., Маляренко A.M., Шелых И.А., Рыскин А.И., Щеулин А.С., Квантовый эффект Холла в наноструктурах на основе фторида кадмия, ФТП, т.43, вып. 1, с.82-84 (2009).

4. Баграев Н.Т., Гимбицкая О.Н., Клячкин JI.E., Маляренко A.M., Шелых И.А., Рыскин А.И., Щеулин А.С., Спиновый транзистор на основе наноструктур фторида кадмия, ФТП, т.43, вып.1, с.85-94 (2009).

5. Bagraev N.T., Guimbitskaya O.N., Klyachkin L.E., Kudryavtsev A.A., Malyarenko A.M., Romanov V.V., Ryskin A.I., Shelykh I.A., Shcheulin A.S., Spin Transistor and Quantum Spin Hall Effects in CdBxF2.x - p-CdF2 - CdBxF2.x Sandwich Nanostructures, Physica С (2010), doi: 10.1016/j .physc.2010.02.026.

6. Баграев H.T., Гимбицкая O.H., Клячкин JI.E., Кудрявцев A.A., Маляренко A.M., Романов В.В., Рыскин А.И., Щеулин А.С., Квантовый спиновый эффект Холла в наноструктурах на основе фторида кадмия, ФТП, т.44, вып. 10, с. 1372-1381 (2010).

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 30.06.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 6191b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение.

Глава 1: CdF2 -ионный полупроводник.

§1.1. Фторидные кристаллы; содержащие ионы редких земель.

§1.2. Физико-химические аспекты получения полупроводниковых кристаллов CdF2.

§1.3. Электронная структура бистабильных центров в CdF2.

Выводы.

Постановка задачи.

Глава 2. р+-п переходы на поверхности кристалла CdF2 «-типа

Получение и идентификация.

§2.1. Легирование бором кристаллов фторида кадмия.

§2.2. Туннельный эффект и идентификация строения валентной зоны

CdF2.

Выводы.

Глава 3. Сандвич-структуры CdBxF2x//7-CdF2-QW/CdBxF2x на поверхности кристалла «-CdF2.

§3.1. Размерное квантование дырок в квантовой яме CdF2.

§3.2. Характеристики 8-барьеров CdBxF2.x, ограничивающих квантовую яму CdF2 р -типа проводимости.

Выводы.

Глава 4. Квантовый эффект Холла в сандвич-структурах CdBxF2x//?

CdF2-QW/CdBxF2.x.

§4.1. Открытие и первые измерения эффекта Холла.

§4.2. Двумерный электронный газ в магнитном поле.

§4.3. Квантовый эффект Холла.

§4.4. Регистрация квантового эффекта Холла при комнатной температуре в наноструктурах на основе фторида кадмия.

Выводы.

Глава 5. Эффект спинового транзистора и квантовый спиновый эффект

Холла в сандвич-структурах CdBxF2-x//?-CdF2-QW/CdBxF2-x.

§5.1. Характеристики спинового транзистора на основе сандвич-структур CdBxF2-x//?-CdF2-QW/CdBxF2.x на поверхности кристалла п

CdF2.

§5.2. ВАХ квантового спинового эффекта Холла в сандвич-структурах CdBxF2.x/p-CdF2-QW/CdBxF2-x на поверхности кристалла п

CdF2.

Выводы.

Создание широкозонных полупроводниковых материалов» и гетероструктур, обеспечивающих получение излучателей; и* фотоприемников> в. широком диапазоне длин* волн ультрафиолетовой! и. видимой- областей1 спектра, а также - быстродействующих логических элементов вычислительной техники и дисплеев нового поколения, является важным направлением полупроводниковой нано- и оптоэлектроники. Перспективным широкозонным полупроводником для этих целей является фторид кадмия (CdF2), ширина запрещенной зоны которого, 7.8 эВ, в 1,5 раза больше чем у алмаза. Тем не менее, несмотря на простоту и воспроизводимость технологии, кристаллический CdF2 до недавнего времени оставался вне поля зрения физики полупроводников из-за монополярного характера проводимости (я-типа) [Moser, 1969; Eisenbergre, 1968; Eisenbergre, 1971].

Впервые это ограничение было преодолено путем диффузии бора, которая позволила получить гетероструктуры р+-Si - «-CdF2 в условиях осаждения поликремния из газовой фазы на поверхность кристалла п-CdF2, чему способствовало совпадение постоянных решеток (5.43 А - Si; 5.46 А -CdF2) и электронного сродства (4 эВ - Si, CdF2) кремния и фторида кадмия [Баграев, 2005; Orlowski, 1983]. Поэтому получение сверхмелких р+-п — переходов на поверхности кристалла п-CdF2 представляется экспериментально реализуемой задачей. Кроме того, идентификация гетеропереходов p+-Si - п-СdF2 показала, что с помощью примесной диффузии из газовой фазы можно получить низкоразмерные структуры на основе фторида кадмия, которые являются достаточно перспективными для решения различных задач высокотемпературной нано- и оптоэлектроники. Особенно интересным может оказаться использование сверхмелких р+-п -CdF2- переходов и наноструктур на их основе для экспериментальной реализации электронно-волновых аналогов электро-оптических модуляторов, наиболее ярким* представителем которых является спиновый транзистор [Datta, 1990].

Вышесказанное определяет актуальность темы настоящей* работы, в рамках которой диффузия бора- использовалась для- получения планарных сверхмелких //-«-переходов, представляющих собой сандвич-структуры CdBxF2-x/p-CdF2-QW/CdBxF2-x на поверхности кристаллов GdF2 и-типа проводимости. В- процессе исследований полученных структур основное внимание уделялось изучению спиновой поляризации дырок, возникающей вследствие рассеяния на центрах бора, а также — возможностям ее использования в модельных приборных структурах спинтроники таких, как спиновый транзистор и холловский мостик для наблюдения квантового спинового эффекта Холла.

Цель работы заключалась в обнаружении и исследовании эффекта спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла в планарных наноструктурах на основе фторида кадмия.

В задачи работы входило изучение следующих вопросов:

1. Получение сверхузких квантовых ям CdF2 р-типа проводимости, ограниченных сильнолегированными бором 5-барьерами, на поверхности кристалла фторида кадмия «-типа.

2. Идентификация энергетических позиций подзон двумерных дырок в квантовой яме р- CdF2.

3. Исследование электрических, магнитных и оптических свойств сильнолегированных бором 5 - барьеров, ограничивающих квантовую яму р-CdF2.

4. Регистрация ВАХ высокого разрешения при различных температурах для изучения взаимосвязанности характеристик размерного квантования дырок в квантовой яме р- CdF2 и квантования сверхтока в 5 - барьерах, проявляющих свойства высокотемпературных сверхпроводников.

5. Обнаружение и исследование спиновой поляризации двумерных дырок с помощью измерений характеристик квантового эффекта Холла.

6. Идентификация ВАХ спинового транзистора и^ квантового эффекта, Холла- с помощью исследований продольной и поперечной проводимости в зависимости* от напряжения вертикального» затвора', управляющего величиной спин-орбитального взаимодействия в валентной зоне квантовой ямы CdF2 р-типа.

Научная новизна работы.

1. Измерения туннельных ВАХ, температурных и полевых зависимостей сопротивления, статической магнитной восприимчивости и теплоемкости планарных сандвич-структур CdBxF2x//>CdF2-QW/CdBxF2-x, полученных на поверхности кристалла п-CdF2, позволили* идентифицировать сверхпроводящие свойства 5 - барьеров* CdBxF2-x, ограничивающих сверхузкую квантовую яму CdF2 р-типа проводимости.

2. Обнаружена взаимосвязанность квантования сверхтока и размерного квантования дырок в квантовой яме р- CdF2, ограниченной сверхпроводящими 5 - барьерами CdBxF2x.

3. Впервые, при комнатной температуре, наблюдались осцилляции Шубникова - де Гааза и квантовая лестница холловского сопротивления в квантовой ямеСёР2 р-типа проводимости на поверхности кристалла п— CdF2.

4. Показано, что внутри энергетического интервала сверхпроводящей щели ВАХ спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла определяются спектром многократного андреевского отражения дырок, возникающим при изменении напряжения вертикального затвора.

5. Вне интервала сверхпроводящей щели обнаруженная ВАХ квантового спинового эффекта Холла представляет собой квантовую лестницу проводимости с амплитудой ступенек равной е /h, которая взаимосвязана с осцилляциями продольной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора, контролирующего величину спин-орбитального взаимодействия Бычкова-Рашбы. Достоверность. полученных результатов подтверждается* сравнительным анализом- экспериментальных данных, полученных с помощью1 различных методик, а также* их соответствием с имеющимися* на сегодняшний^ день экспериментальными и теоретическими результатами» изучения^ спиновой интерференции в низкоразмерных полупроводниковых структурах. Научная и практическая значимость диссертационного исследования определяется экспериментальной реализацией сверхмелких планарных р+-п — переходов на поверхности кристалла «-CdF2 в условиях диффузии бора; идентификацией квантоворазмерных сандвич-структур внутри р+-п — переходов, которые представляют собой квантовые ямы р-С dF2, ограниченные сверхпроводящими 5 - барьерами, и демонстрируют взаимосвязанность размерного квантования дырок и квантования сверхтока; обнаружением квантового эффекта Холла в сандвич-структурах при комнатной температуре; обнаружением спиновой поляризации двумерных дырок вследствие спинозависимого рассеяния на дипольных центрах бора; регистрацией эффекта спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла в условиях спиновой поляризации дырок в краевых каналах квантовой ямы р-СdF2. Защищаемые положения;

1. Низкотемпературная диффузия бора позволяет получать сверхузкие квантовые ямы CdF2 р-типа проводимости, ограниченные 5 -барьерами на поверхности кристалла фторида кадмия л-типа.

2. Сильнолегированные бором 5 -барьеры, ограничивающие квантовую яму CdF2 р-типа проводимости проявляют свойства высокотемпературных сверхпроводников, вследствие чего энергетические позиции двумерных дырочных подзон определяют характеристики квантования сверхтока.

3: Спинозависимое рассеяние дырок на центрах бора^ в краевых каналах квантовых ям CdF2 /?-типа проводимости, ограниченных сверхпроводящими 5 -барьерами, приводит к их спиновойшоляризации, которая, отражается в характеристиках квантового эффекта Холла: 4*. Наличие-спиновой. поляризации в краевых каналах, квантовой ямы CdF2 р-типа проводимости позволяет наблюдать эффект спинового транзистора и квантовый спиновый эффект Холла, которые проявляются соответственно в осцилляциях продольной проводимости и квантовой лестнице поперечной проводимости- bj зависимости от напряжения вертикального затвора, управляющего величиной спин-орбитального взаимодействия. Причем энергетические позиции максимумов осцилляций продольной проводимости строго. совпадают с серединами квантовых ступеней поперечной проводимости, e2/h. Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 9-й и 10-й Международных конференциях по нанофизике и нанотехнологии, ICN&T-9, ICN&T -10 (Базель, Швейцария, 2007, Стокгольм, Швеция, 2008); 17-й и 18-й Международных конференциях по электронным свойствам двумерных систем, EP2DS-17, EP2DS-18 (Генуя, Италия, 2007; Кобе, Япония, 2009); 6-й Международной конференции по квантовым вихрям в наноструктурированных сверхпроводниках, VORTEX-6 (Родос, Греция, 2009).

Публикации: по результатам исследований, изложенных в диссертации, имеется 6 публикаций в ведущих отечественных и международных журналах. Список публикаций приведен в конце диссертации. Структура диссертации: Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

Выводы

Обнаружено- резонансное поведение продольной эдс в слабом магнитном- поле, перпендикулярном' плоскости- квантовой- ямы, р—GdF2, которое свидетельствует о высокой- степени- спиновой поляризации двумерных дырок. В рамках предлагаемой модели резонанс продольной эдс возникает в точке антипересечения магнитных подуровней дипольных центров бора в возбужденном триплетном состоянии.

Показано, что в. условиях многократного андреевского отражения* и спинозависимого рассеяния на дипольных центрах, бора, находящихся- в возбужденном триплетном состоянии, возникает высокая степень спиновой поляризации дырок в краевых каналах по периметру квантовой ямы р—GdF2. В свою очередь, наличие высокой степени спиновой поляризации дырок в краевых каналах позволило обнаружить отличную от нуля проводимость при нулевом напряжении, вертикального затвора в холловской геометрии эксперимента, которая свидетельствует о регистрации квантового спинового эффекта Холла.

Показано, что внутри энергетического интервала сверхпроводящей щели ВАХ спинового транзистора и квантового спинового эффекта Холла определяются спектром многократного андреевского отражения дырок, возникающим при изменении напряжения вертикального затвора. Вне интервала сверхпроводящей щели обнаруженная ВАХ квантового спинового эффекта Холла представляет собой квантовую лестницу проводимости с амплитудой ступенек равной e2/h, которая взаимосвязана с осцилляциями продольной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора. Причем позиции пиков продольной проводимости в энергетической шкале вертикального затвора соответствуют середине квантовых ступенек в квантовой лестнице поперечной проводимости в холловской геометрии. Данный результат объясняется в рамках модели классического спинового транзистора в условиях спин-орбитального взаимодействия Бычкова-Рашбы с учетом наличия краевых каналов, в которых реализуется режим спинозависимого транспорта поляризованных дырок.

Заключение

1. Сверхмелкие //-«-переходы на; поверхности кристаллов'«-GdF2 были получены с помощью диффузии бора из газовой- фазы.

2. Прямые ветвдг вольт-амперных характеристик (ВАХ) //-«-переходов проявляют запрещенную зону, 7.8 эВ, а также позволяют идентифицировать строение валентной зоны кристаллов фторида кадмия. Наблюдаемая ВАХ высокого разрешения находится в хорошем согласии с данными, полученными с помощью методов оптической и фотоэлектронной спектроскопии.

3. Измерения туннельных ВАХ, температурных и полевых зависимостей сопротивления, статической магнитной восприимчивости и теплоемкости планарных сандвич-структур CdBxF2x/p-CdF2-QW/CdBxF2.x, полученных на поверхности кристалла «-CdF2, позволили идентифицировать сверхпроводящие свойства 5 - барьеров CdBxF2x, ограничивающих сверхузкую квантовую яму CdF2 р-типа проводимости.

4. Сравнительный анализ ч токовых ВАХ и ВАХ проводимости соответственно ниже и выше критической температуры сверхпроводящего перехода свидетельствует о взаимосвязанности квантования сверхтока и размерного квантования дырок в квантовой яме р-СdF2. Причем регистрация джозефсоновского пика тока в позиции каждой дырочной подзоны сопровождается наличием спектра многократного андреевского отражения.

5. Впервые наблюдались осцилляции Шубникова - де Гааза и квантовая лестница холловского сопротивления в квантовой яме р~CdF2, ограниченной 5-барьерами CdBxF2x, на поверхности «-CdF2. Благодаря низкой эффективной массе двумерных дырок, наблюдение квантового эффекта Холла стало возможным при комнатной температуре.

6. Обнаружено резонансное поведение продольной эдс в слабом магнитном поле, перпендикулярном плоскости квантовой ямы />-CdF2, которое свидетельствует о высокой степени спиновой поляризации двумерных дырок. В рамках предлагаемой модели, резонанс продольной эдс возникает в точке антипересечения- магнитных подуровней дипольных центров бора в возбужденном триплетном состоянии.

7. Показано, что в условиях многократного андреевского отражения и спинозависимого рассеяния на дипольных центрах бора, находящихся в возбужденном триплетном состоянии, возникает высокая степень спиновой поляризации дырок в краевых каналах по периметру квантовой ямы р-CdF2. В свою очередь, наличие высокой степени спиновой поляризации дырок в краевых каналах позволило обнаружить отличную от нуля проводимость при нулевом напряжении вертикального затвора в холловской геометрии эксперимента, которая свидетельствует о регистрации квантового спинового эффекта Холла.

8. Показано, что внутри энергетического интервала сверхпроводящей щели ВАХ спинового транзистора и квантового спинового "эффекта Холла определяются спектром многократного андреевского отражения дырок, возникающим при изменении напряжения вертикального затвора. Вне интервала сверхпроводящей щели обнаруженная ВАХ квантового спинового эффекта Холла представляет собой квантовую лестницу проводимости с амплитудой ступенек равной е //г, которая взаимосвязана с осцилляциями продольной проводимости в зависимости от напряжения вертикального затвора. Причем позиции пиков продольной проводимости в энергетической шкале вертикального затвора соответствуют середине квантовых ступенек в квантовой лестнице поперечной проводимости в холловской геометрии. Данный результат объясняется в рамках модели классического спинового транзистора в условиях изменения спинорбитального взаимодействия Бычкова-Рашбы с помощью напряжения вертикального затвора.

1. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф., Электронные свойства двумерных систем; М. Мир, с.386 (1985).

2. Баграев Н.Т., Юсупов А., Метастабильные глубокие центры в Si.xGex, ФТП, т.28, 198 (1994а).

3. Баграев Н.Т., Лебедев А.А., Мирсаатов P.M., Половцев И.С., Юсупов А., Оптически индуцированная самокомпенсация халкогенов в кремнии, ФТП, т.28, 213 (1994b).

4. Баграев Н.Т., Клячкин Л.Е., Маляренко A.M., Щеулин А.С., Рыскин А.И., Гетеропереходы p+-Si-n-CdF2, ФТП, т.39, с.557 (2005).

5. Баграев Н.Т., Клячкин Л.Е., Кудрявцев А.А., Маляренко A.M., Романов В.В., Сверхпроводящие свойства кремниевых наноструктур, ФТП, т.43, с.1481 (2009а).

6. Баграев Н.Т., Гимбицкая О.Н., Клячкин Л.Е., Кудрявцев А.А., Маляренко A.M., Романов В.В., Рыскин А.И., Щеулин А.С., Спиновый транзистор на основе наноструктур фторида кадмия, ФТП, т.43, с.85 (2009b).

7. Баграев Н.Т., Клячкин Л.Е., Кудрявцев А.А., Маляренко A.M., Оганесян Г.А., Полоскин Д.С., Квантование сверхтока и андреевское отражение в кремниевых наноструктурах, ФТП, т.43, с. 1496 (2009с).

8. Баграев Н.Т., Гимбицкая О.Н., Клячкин Л.Е., Кудрявцев А.А., Маляренко A.M., Романов В.В., Рыскин А.И., Щеулин А.С., Квантовый эффект Холла в наноструктурах на основе фторида кадмия, ФТП, т.43, с.82 (2009d).

9. Имри Й., Введение в мезоскопическую физику, ФизМатЛит, (2002).

10. Казанский С. А., Рыскин А.И., Романов В.В., Парамагнитная восприимчивость аддитивно окрашенных фотохромных кристаллов CdF2:In, ФТТ, т.39, с.1205 (1997).

11. Лафлин Р.Б., Дробное квантование, УФН, т. 170, с.292 (2000).

12. Пудалов В.М., Переход металл-диэлектрик в двумерной системе в нулевом магнитном поле, УФН, т.168, с.227 (1998).

13. Штермер X., Дробный квантовый эффект Холла, УФН, т.170, с.304. (2000).

14. Albert J1P., Jouanin С., Gout G., Electronic energy bands in the fluorite structure: CaF2 and GdF2, Phys. Rev. B; v.16, p:4619 (1977).

15. Alexandrov A.S., Mott N.F.,. Bipolarons, Rep. Prog. Phys., v.57, p. 1197 (1994).

16. Aronov A.G., Lyanda-Geller Y.B., Spin-orbit Berry phase in conducting rings, Phys. Rev. Lett., v.70, p.343 (1993)

17. Awschalom D.D., Loss D., Samarth N., Semiconductor Spintronics and Quantum Computations, Springer-Verlag Berlin; (2002).

18. Bagraev N.T., Mashkov V.A., Tunneling Negative-U centers and photo-induced reactions in Solids, Solid State Commun., v.51, p.515 (1984).

19. Bagraev N.T., Mashkov V.A., A mechanism for two-electron capture at deep level defects in semiconductors, Solid State Commun., v.65, p.l 111 (1988).

20. Bagraev N.T., Ivanov V.K., Klyachkin L.E., Shelykh I.A., Spin depolarization in quantum wires polarized spontaneously in a zero magnetic field, Phys. Rev. B, v.70, p. 155315 (2004).

21. Bagraev N.T., Gehlhoff W., Klyachkin L.E., Malyarenko A.M., Romanov V.V., Rykov S.A., Superconductivity in silicon nanostructures, Physica C, v.437-438, p.21 (2006a).

22. Bagraev N.T., Galkin N.G., Gehlhoff W., Klyachkin L.E., Malyarenko A.M., Shelykh I.A., Spin interference in silicon one-dimensional rings, J. Phys.:Condens. Matter, v.18, p.L567 (2006b).

23. Bagraev N.T., Gehlhoff W., Klyachkin L.E., Kudryavtsev A.A., Malyarenko A.M., Oganesyan G.A., Poloskin D.S., Romanov V.V., Spin-dependent transport of holes in silicon quantum wells confined by superconductor barriers, Physica C, v.468, p.840 (2008a).

24. Bagraev N.T., Galkin N.G., Gehlhoff W., Klyachkin b.E., Malyarenko A.M., Phase and amplitude response of "0.7 feature" caused by holes in silicon one-dimensional wires and rings, J. Phys.iCondens. Matter, v.20, p. 164202 (2008b).

25. Beenakker C.W.J., van Houten H., Josephson current through a superconducting quantum point contact shorter than the coherence length, Phys. Rev. Letters, v.66, p.3056 (1991).

26. Bergsten Т., Kobayashi Т., Sekine Y., Nitta J., Experimental Demonstration of the Time Reversal Aharonov-Casher Effect, Phys. Rev. Lett., v.91, p. 196803 (2006).

27. Brower K.L., Electron Paramagnetic Resonance of the Neutral (£=1) One-Vacancy-Oxygen Center in Irradiated Silicon, Phys. Rev. B, v.4, p. 1968 (1971).

28. Chadi D.J., Chang K.J., Theory of the Atomic and Electronic Structure of DX Centers in GaAs and A^Ga^As Alloys, Phys. Rev. Lett., v.61, p.873 (1988).

29. Chadi D.J., Chang K.J., Energetics of ZXY-center formation in GaAs and AlxGa,.xAs alloys, Phys. Rev. B, v.39, p. 10063 (1989).

30. Dabrowski J., Scheffler M., Isolated arsenic-antisite defect in GaAs and the properties of EL2, Phys. Rev. В, v.40, p.10391 (1989).

31. Datta S., Das В., Electronic analog of the electro-optic modulator, Appl. Phys. Lett., v.56, p.665 (1990)

32. Dyakonov M.I., Magnetoresistance due to Edge Spin Accumulation, Phys. Rev. Lett. v.99, pl26601 (2007).

33. Eisenbergre P., Pershan P.S., Electron-Spin-Resonance and Infrared-Studies of Semiconducting, Rare-Earth-Doped GdF2, Phys. Rev., v. 167, p.292'(1968).

34. Eisenbergre P., Pershan P.S.„ Feldman В J., Microwave Magnetoabsorption at Low Temperatures in Semiconducting CdF2, Phys. Rev. B, v.4, p.3402'(1971).

35. Geim A.K., Novoselov K. S., The rise of graphene, Nature Materials, v.6, p. 183 (2007).

36. Ghosh A., Ford C.J.B., Pepper M., Beere H.E., Ritchie D.A., Possible Evidence of a Spontaneous Spin Polarization in.Mesoscopic Two-Dimensional Electron Systems, Phys. Rev. Lett., v92, pi 16601 (2004).

37. Jarillo-Herrero P., van Dam J.A., Kouwenhoven L.P., Quantum supercurrent transistors in carbon nanotubes, Nature, v.439, p.953 (2006).

38. Jie Xiang, Vidan A., Tinkham M., Westervelt R.M., Lieber Ch., Ge-Si nanowire mesoscopic Josephson Junctions, Nature-nanotechnology, .v.l, p.208 (2006).

39. Jung W., Newell G.S., Spin-1 Centers in Neutron-Irradiated Silicon, Phys. Rev, v.132, p.648 (1963).

40. Johnson M., Silsbee R.H., Coupling of electronic charge and spin at a ferromagnetic-paramagnetic metal interface, Phys.Rev.B, v.37, p.5312 (1988)

41. Kazanskii S.A., Ryskin, A.I., Romanov V.V., Paramagnetic susceptibility of semiconducting CdF2:In crystals: Direct evidence for the negative-U nature of the DX-like state, Appl.Phys.Lett., v.70, p.1272 (1997).

42. Kazanskii S.A., Rumyantsev D.S., Ryskin A.I., Ionized donor pairs and microwave and far-infrared absorption in semiconducting CdF2, Phys. Rev. B, v.65, p.165214 (2002).

43. Khaetskii A. V., Nazarov Y. V., Spin relaxation in semiconductor quantum dots, Phys. Rev. B, v.61, p.12639 (2000)

44. Kingsley J.D., Prener J.S., Free Charge Carrier Effects in Cadmium Fluoride, Phys. Rev. Lett., v.8, p.315 (1962).

45. Konig M., Tschetschetkin A., Hankiewicz E.M., Sinova J., Hock V., Daumer V., Schafer M., Becker C.R., Buhmann H., Molenkamp L.W., Direct Observation of the Aharonov-Casher Phase, Phys. Rev. Lett., v.96, p.076804 (2006).

46. Konig M., Wiedmann S., Brune C., Roth A., Buhmann H., Molenkamp L.W., Xiao-Liang Q., Shou-Cheng Z., Quantum Spin Hall Insulator State^in HgTe Quantum Wells, Science, v.318, p.766 (2007).

47. Laiho R, Afanasjev M.M., Vlasenko M.P., Vlasenko L.S., Electron exchange interaction in S=1 defects observed by level crossing spin dependent microwave photoconductivity in irradiated silicon, Phys. Rev. Letters, v.80, p. 1489 (1998).

48. Lang D.V., Logan R., Large-Lattice-Relaxation Model for Persistent Photoconductivity in Compound Semiconductors, Phys. Rev. Lett., v.39, p.635 (1977).

49. Lang D.V., Logan R., Jaros M., Trapping characteristics and a donor-complex (.DX) model for the persistent-photoconductivity trapping center in Te-doped AlxGa,.xAs, Phys. Rev. B, v.19, p.1015 (1979).

50. Langer J.M., Dmochowski J.M., Langer J.M., Kalinski Z., Jantsch W., CdF2:In—A Critical Positive Test of the Toyozawa Model of Impurity Self-Trapping, Phys. Rev. Lett., v.56, p.1735 (1986).

51. Lee Т.Н. Moser F., Optical Properties and Donor States in Semiconducting CdF2, Phys. Rev. B, v. 3, p.347 (1971).

52. Lee Y.-H., Corbett J., EPR studies of defects in electron-irradiated silicon: A triplet state of vacancy-oxygen complexes, Phys. Rev. B, v.13, p.2653 (1976).

53. Meservey R., Paraskevopoulos D., Tedrow P.M., Correlation' between Spin Polarization/ of Tunnel Currents from 3d Ferromagnets and Their Magnetic Moments, Phys.Rev.Lett., v.37, p.858 (1976).

54. Miller J.B., Zumbuhl D.M., Marcus C.M.,. Lyanda-Geller Y.B., Goldhaber-Gordon D., Campman K., Gossard-A.C., Gate-Controlled Spin-Orbit Quantum Interference Effects in Lateral Transport, Phys. Rev. Lett., v.90, p.076807 (2003).

55. Moser F., Matz D., Lyu S., Infrared Optical Absorption in Semiconducting CdF2:Y Crystals, Phys. Rev., v.182, p.808 (1969).

56. Nitta J., Meijer F.E., Takayanagi H., Spin-interference device, Appl. Phys. Letters, v.75, p.695 (1999).

57. Nissila J., Saarinen K., Hautojarvi P., Suchocki A., Langer J.M., Universality of the Bond-Breaking Mechanism in Defect Bistability: Observations of Open Volume in the Deep States of In and Ga in CdF2, Phys. Rev. Lett., v.82, p.32761999).

58. Onopko D.E., Ryskin A.I., Donor impurities and DX centers in the ionic semiconductor CdF2: Influence of covalency, Phys. Rev. B, v.61, p.129522000).

59. Orlowski B.A., Langer J.M., Band structure of CdF2 from photoemission measurements, Acta Physica Polonica, A v.63, p. 107 (1983).

60. Orlowski B.A., Langer J.M., Determination of the CdF2 valence band structure by photoemission measurement, Phys.Stat.Sol., B, v.91, p.k53 (1979).

61. Pare C.H., Chadi D.J., First-Principles Study of Structural Bistability in Ga-and In-Doped CdF2, Phys. Rev. Lett., v.82, p.l 13 (1999).

62. Poole R.T., Nicholson J.A., Liesegang J., Jenkin J.G., Leckey R.C.G., Electronic structure of ZnF2, CdF2, and HgF2 studied by ultraviolet photoelectron spectroscopy, Phys. Rev. B, v.20, p. 1733 (1979).

63. Rashba E.I., Looking Back, Journal of Superconductivity, Incorporating Novel Magnetism, v.16, p.599 (2003).

64. Schuster R., Buks E., Heiblum M., Mahalu D., Umansky V., Shtrikman H., Phase measurement in a quantum dot via a double-slit interference experiment, Nature, v.385, p.417 (1997).

65. Simanek E., Superconductivity at disordered interfaces, Solid State Community, v.32, p.731 (1979).

66. Shelykh I.A, Bagraev N.T, Galkin N.G, Klyachkin L.E., Interplay of h/e and h/2e oscillations in gate-controlled Aharonov-Bohm rings, Phys. Rev. B, v.71, p.l 13311 (2005a)

67. Studenikin S.A., Coleridge P.T., Ahmed N., Poole P., Sachrajda A., Experimental study of weak antilocalization effects in a high-mobility In^Gaj. ^As/InP quantum well, Phys. Rev. B, v.68, p.035317 (2003).

68. Ting C. S., Talwar D. N., Ngai K. L., Possible mechanism of superconductivity in metal-semiconductor eutectic alloys, Phys. Rev. Letters, v.45, p. 1213 (1980).

69. Toyozawa Y., Multiphonon recombination processes, Solid State Electronics, v.21, p.1313 (1978).

70. Vodolazov D.Y., Golubovic D.S., Peeters F.M., Moshchalkov V.V., Enhancement and decrease of critical current due to suppression of superconductivity by a magnetic field, Phys. Rev. B, v.76, p.134505 (2007).

71. Watkins G.D., Defects in Irradiated Silicon: Electron Paramagnetic Resonance and Electron-Nuclear Double Resonance of the Aluminum-Vacancy Pair, Phys. Rev., v.155, p.802 (1967).

72. Weisbuch C., Winter В., Quantum semiconductor structures, New York: Academic Press, (1991).

73. Winkler R., Rashba spin splitting in two-dimensional electron and hole systems, Phys. Rev. B, v.62, p.4245 (2000).

74. Winkler R., Anomalous Rashba spin splitting in two-dimensional hole systems, Phys. Rev. В, v.65, p. 1553 03 (2002).

75. Список публикаций автора по теме работы2.