[論文レビュー] Effect of the In-Plane Magnetic Field on Conduction of the Si-inversion Layer: Magnetic Field Driven Disorder

V. M. Pudalov, G. Brunthaler+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2001

Surface and Thin Film Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Si逆転層における面内磁場が、散乱率の増加に伴い金属的抵抗率行動を抑制する不純物に類似した効果を引き起こすことを示している。磁場は温度に伴う抵抗率低下を連続的に抑制し、不純物や温度の増加に類似した挙動を示し、活性化なしに高温抵抗率を回復させ、理論的モデルが磁場依存の不純物機構を含むことを制限する。

ABSTRACT

We compare the effects of temperature, disorder and parallel magnetic field on the metallic-like temperature dependence of the resistivity. We found a similarity between the effects of disorder and parallel field: the parallel field weakens the metallic-like conduction in high mobility samples and make it similar to that for low-mobility samples. We found a smooth continuous effect of the in-plane field on conduction, without any threshold. While conduction remains non-activated, the parallel magnetic field restores the same resistivity value as the high temperature does. This matching sets substantial constraints on the choice of the theoretical models developed to explain the mechanism of the metallic conduction and parallel field magnetoresistance in 2D carrier systems. We demonstrate that the data for magneto- and temperature dependence of the resistivity of Si-MOS samples in parallel field may be well described by a simple model of the magnetic field dependent disorder.

研究の動機と目的

• 高移動度 Si-MOS 2次元系における温度および面内磁場に依存する抵抗率の影響を調査すること。
• 磁場が導電性に与える影響が、不純物または温度に類似しているかどうかを特定すること。
• 2次元系における金属的導電性および平行磁場磁気抵抗の理論的モデルを制約すること。
• 磁場が抵抗率に与える影響の連続性および閾値行動を検討すること。
• 磁場下での高温抵抗率の回復が、磁場依存の不純物機構を支持するかどうかを検証すること。

提案手法

• 移動度が異なる複数の Si-MOS サンプルにおける抵抗率の温度および面内磁場依存性を測定した。
• ピーク移動度が25倍の範囲にわたるサンプル間で抵抗率行動を比較し、移動度効果を分離した。
• 磁場依存の散乱率（ρ₀(B)）と温度依存の抵抗率低下（ρ₁(T)）を含む現象的モデルを用いてデータにフィットした。
• 式 (2) を用いて、抵抗率を温度および磁場の関数として記述するためのパラメータ ρ₀(B)、ρ₁、Δ でデータをフィットした。
• 金属絶縁体転移をマップするために、臨界キャリア密度 n_c(B) 及びその磁場下での変化を分析した。
• 既存の Shubnikov-de Haas およびホール測定データとの比較を通じて、スピンおよび軌道効果の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場は、不純物や温度を増加させた場合と類似した方法で金属的抵抗率行動を抑制するか？
• RQ2 面内磁場が抵抗率に与える影響は、閾値や急激な遷移なしに滑らかで連続的か？
• RQ3 温度および磁場両方に依存する抵抗率の依存性は、磁場依存の不純物機構によって一貫して記述可能か？
• RQ4 磁場下での高温抵抗率の回復は、非活性化輸送機構を示唆するか？
• RQ5 スピン準位および準位間散乱の役割は、観察された磁気抵抗にどのように関与しているか？

主な発見

• 高移動度 Si-MOS サンプルにおける面内磁場は、金属的抵抗率低下を抑制し、その導電性を低移動度サンプルに類似させた。
• 磁場が抵抗率に与える影響は滑らかで連続的であり、閾値がないため、散乱率の徐々な増加を示している。
• 高温領域では、磁場下でも抵抗率が高温の「ドレーディ」抵抗率と同一値に回復し、輸送は非活性化のままである。
• 磁気抵抗および抵抗率の温度依存性は、磁場依存の不純物モデルによって定量的に記述可能であり、Tに依存しない散乱率 ρ₀(B) が増加する。
• 臨界キャリア密度 n_c は面内磁場に伴い増加し、不純物の増強と整合しており、抵抗率低下の大きさ（ρ₁+ρ₀）／ρ₀ は磁場に伴い減少する。
• 磁場依存の不純物モデルはデータに良好にフィットし、特に抵抗率転移における「ねじれた分離子線」を記述する際に、多項式ではなく指数関数的要因 T⁻ᵖ を用いることでより良い適合が得られた。