[논문 리뷰] Valley Splitting in Si-Inversion Layers at Low Magnetic Fields

V. M. Pudalov, Alexander Punnoose외 3명|arXiv (Cornell University)|2001. 04. 19.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 낮은 자기장 조건(B < 0.8 T)에서 (100) Si-역행층에서 최초로 밸리 분열을 실험적으로 관측하였으며, 이는 쇼비니코프-드 하아스 진동에서 강한 번갈아가는 패tern을 유도한다. 영자기장에서의 밸리 분열은 (3–7)×10¹¹ cm⁻² 범위의 운반자 농도에서 약한 밀도 의존성을 보이며, 최대 진폭 조절 폭이 거의 100%에 이르므로 두 밸리에서의 산란 시간이 거의 동일하며, 상하위준 간 산란이 금속성 저항도 행동의 원인이 아니라는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We report novel manifestation of the valley splitting for the two valley electron system in (100) Si-inversion layers at low carrier density. We found that valley splitting causes almost 100% modulation of the Shubnikov de Haas oscillations in very low magnetic fields, almost on the bound of the quantum interference peak of the negative magnetoresistance. From the interference pattern of oscillations we determined the valley splitting in the B=0 limit which appears to vary only within a factor of 1.3 over the density range (3-7)x10^{11}/cm^2. We found also that level broadenings in both electron valleys differ only by &lt; 3%. The latter result shows that the inter-valley scattering is not responsible for the strong (six fold) `metallic-like' changes of the resistivity with temperature.

연구 동기 및 목표

• 저밀도 Si-역행층에서 저항도의 금속성 온도 의존성에 있어 밸리 분열의 역할을 조사하기 위해.
• 고이동도 Si-MOS 구조에서 관측된 명백한 금속-절연체 전이(MIT)에 밸리 분열이 기여하는지 여부를 규명하기 위해.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동을 이용하여 고이동도 Si 시료에서 영자기장에서의 밸리 분열과 그 농도 의존성을 측정하기 위해.
• 산란 시간과 평면 자기장에 따른 저항도 변화의 기원으로서 밸리 분열과 다른 메커니즘(예: 상하위준 간 산란)을 구별하기 위해.

제안 방법

• 저자기장(B < 0.8 T)에서 운반자 농도가 (3–7)×10¹¹ cm⁻²인 고이동도 n-Si-MOSFET에서 쇼비니코프-드 하아스 진동 측정.
• 간섭 구조의 푸리에 분석을 통해 진동의 번갈아가는 패턴을 분석하여 영자기장에서의 밸리 분열 Δv를 추출.
• 랜다우 준위 양자화, 조잔 분열, 밸리 분열을 포함한 단일 전자 에너지 스펙트럼 모델 사용: ε = ℏωc(N + ½) ± ½g*μBB ± ½Δv(B).
• 진동 진폭과 위상 이동을 비교하여 두 밸리에서의 상대적 산란 시간을 추론.
• 진동 특성과 랑다우 팬 다이어그램을 연관하여 낮은 자기장에서의 충족 수준 ν = 1, 2, 3, 4, 6를 식별하고, 낮은 B에서의 에너지 준위 교차를 매핑.
• 약 0.2 T까지의 고해상도 자기전도 측정을 수행하였으며, 양자 간섭에 기인한 약한 반국소화의 발생으로 인해 제한됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저자기장(B < 0.8 T)에서 Si-역행층의 쇼비니코프-드 하아스 진동에 밸리 분열이 나타나는가?
• RQ2 고이동도 Si 시료에서 영자기장에서의 밸리 분열의 크기와 농도 의존성은 무엇인가?
• RQ3 관측된 진동 진폭의 100% 조절 폭은 두 밸리에서 산란 시간이 동일할 경우에 설명될 수 있는가?
• RQ4 상하위준 간 산란이 이 시스템에서 금속성 저항도 온도 의존성의 원인인가?
• RQ5 낮은 자기장에서 에너지 준위 계층은 어떻게 변화하며, ν=6 진동의 기원은 명확하게 특정할 수 있는가?

주요 결과

• 영자기장에서의 밸리 분열 Δv는 (3–7)×10¹¹ cm⁻² 범위의 운반자 농도에서 오직 1.3배 정도로 변화하며, 밀도 의존성이 약하다는 것을 시사한다.
• 쇼비니코프-드 하아스 진동의 번갈아가는 패턴에서 관측된 100% 조절 폭은 두 밸리에서의 산란 시간이 거의 동일하며, 그 차이가 ≤3%임을 의미한다.
• 두 밸리에서의 준위 넓이 차이는 3% 이내이므로, 상하위준 간 산란이 금속성 저항도 행동의 주요 메커니즘이 아니라는 것을 배제한다.
• 명백한 금속성 저항도와 '금속-절연체 전이'는 이전에 제기된 바와 같이 상하위준 간 산란에 의해 유도되지 않는다.
• 낮은 자기장에서의 ν=6 진동 기원은 조잔 분열에 의해 명확하게 기인할 수 없으며, 준위 교차 근처에서 단일 전자 모형이 붕괴되기 때문이다.
• 조잔 에너지는 농도 감소와 함께 매끄럽게 증가하며, 페르미 액체의 재정규화와 일치하며, 이는 저밀도에서 g*-팩터의 증가가 있다는 이전의 주장과 정면으로 배치된다.