Двумерные электронные системы в квантовых ямах на основе HgTe

Abstract

Дан краткий обзор результатов изучения свойств двумерных электронных систем (ДЭС) в квантовых ямах (КЯ) на основе двойного гетероперехода CdHgTe/HgTe/CdHgTe с ориентацией поверхности (100) и (013). Описаны основные особенности энергетического спектра. Приведены результаты экспериментов, позволяющие получить информацию о параметрах данного спектра. На основе измерения циклотронного резонанса найдена зависимость эффективной массы двумерных электронов в HgTe квантовых ямах с инвертированной зонной структурой от их концентрации (Ns) в диапазоне 2,2•10¹¹ cм⁻²≤Ns≤ 9,6•10¹¹ cм⁻². Эта зависимость указывает на заметную непараболичность спектра: масса растет с ростом Ns от значения (0,026 ± 0,005)m₀ до (0,0335 ± 0,005)m₀. Обсуждается гигантское спиновое расщепление, наблюдаемое в асимметричных КЯ HgTe, и излагаются результаты экспериментального исследования переходов квантовая холловская жидкость-изолятор и плато-плато в ДЭС в квантовых ямах на основе теллурида ртути. Описана недавно обнаруженная в исследованных КЯ двумерная электронно-дырочная система, являющаяся первой реализацией двумерного полуметалла. Установлено, что она возникает в слаболегированных КЯ с инвертированной зонной структурой и ориентацией поверхности (013). Обнаружен целый ряд особенностей в магнитотранспорте (положительное магнитосопротивление, знакопеременный эффект Холла, аномальное поведение в режиме квантового эффекта Холла), связанных с одновременным существованием двумерных электронов и дырок.

Дано короткий огляд результатів вивчення властивостей двовимірних електронних систем (ДЕС) у квантових ямах (КЯ) на основі подвійного гетеропереходу CdHgTe/HgTe/CdHgTe з орієнтацією поверхн і (100) і (013). Описано основні особливості енергетичного спектра. Наведено результати експеримент ів, що дозволяють одержати інформацію про параметри даного спектра. На основі вимірів циклотронного резонансу знайдено залежність ефективної маси двовимірних електронів в HgTe квантових ямах з інвертованою зонною структурою від їхньої концентрації (Ns) у діапазоні 2,2•10¹¹ cм⁻²≤Ns≤ 9,6•10¹¹ cм⁻². Ця залежність вказує на помітну непараболічність спектра: маса росте з ростом Ns від значення (0,026 ± 0,005)m₀ до (0,0335 ± 0,005)m₀. Обговорюється гігантське спінове розщеплення, що спостер ігається в асиметричних КЯ HgTe, та викладаються результати експериментального дослідження переход ів квантова холлiвська рідина–ізолятор і плато–плато в ДЕС у квантових ямах на основі телуриду ртуті. Описано недавно виявлену в досліджених КЯ двовимірну електронно-діркову систему, що є першою реалізацією двовимірного напівметалу. Установлено, що вона виникає в слабколегованих КЯ з інвертованою зонною структурою й орієнтацією поверхні (013). Виявлено цілий ряд особливостей у магнітотранспорті (позитивний магнітоопір, знакозмінний ефект Холлу, аномальне поводження в режимі квантового ефекту Холлу), то пов’язані з одночасним існуванням двовимірних електронів і дірок.

This publication gives a short review of the properties of two-dimensional electron systems in quantum wells based on a double heterostructure CdHgTe/HgTe/CdHgTe with surface orientations (100) and (013). The main features of the electron system energy spectrum are described. The dependence of the effective mass of two-dimensional electrons in HgTe quantum wells versus their density 2,2•10¹¹ cм⁻²≤Ns≤ 9,6•10¹¹ cм⁻² has been obtained from the cyclotron resonance measurements. This dependence is indicative of a marked nonparabolicity of the energy spectrum: the effective mass increases with the density Ns from (0.026±0.005)m₀ to (0.0335±0.005)m₀. The paper contains a discussion of a giant spin splitting observed in asymmetrical HgTe quantum wells and presents the results of the experimental study of the quantum Hall liquid–quantum Hall insulator and plateau–plateau transitions in a two-dimensional electron system in HgTe quantum wells. Also presented in the paper is a new type of electron-hole system observed in the investigated HgTe quantum wells that is the first realization of a two-dimensional semimetal. It is established that this system is realized in weakly doped quantum wells with inverted band structure and surface orientation (013). A number of magnetotransport phenomena associated with a co-existence of two-dimensional electrons and holes has been observed: a positive magnetoresistance, a variable-sign Hall effect, an anomalous behavior in the quantum Hall effect regime.