[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文表明，硅反转层中的面内磁场会诱导类似无序的效应，通过增加散射率来抑制金属态电阻率行为。磁场持续抑制随温度降低的电阻率下降，其行为类似于增加无序或温度，且在无激活能的情况下恢复高温电阻率，从而限制了理论模型必须包含场依赖的无序机制。

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.

研究动机与目标

• 研究面内磁场对高迁移率Si-MOS二维体系电阻率的影响。
• 确定磁场对输运的影响是否类似于无序或温度的影响。
• 约束金属导电性及二维体系平行场磁阻的理论模型。
• 研究磁场对电阻率影响的连续性与阈值行为。
• 检验在磁场下高温电阻率恢复是否支持场依赖无序机制。

提出的方法

• 测量多个迁移率各异的Si-MOS样品在温度和面内磁场依赖下的电阻率。
• 通过峰值迁移率相差达25倍的样品比较电阻率行为，以隔离迁移率的影响。
• 采用包含场依赖散射率（ρ₀(B)）和温度依赖电阻率下降（ρ₁(T)）的唯象模型拟合数据。
• 使用公式(2)拟合数据，参数包括ρ₀(B)、ρ₁和Δ，以描述电阻率随温度和磁场的变化。
• 分析临界载流子密度n_c(B)及其在磁场下的演化，以绘制金属-绝缘体相变图。
• 通过与现有Shubnikov-de Haas和霍尔数据对比，评估自旋和轨道效应的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内磁场是否以类似于增加无序或温度的方式抑制金属态电阻率？
• RQ2 面内磁场对电阻率的影响是否连续，无阈值或突变？
• RQ3 温度和磁场共同依赖的电阻率行为是否可由单一的场依赖无序机制描述？
• RQ4 在磁场下高温电阻率的恢复是否意味着非激活输运机制？
• RQ5 自旋亚能级和亚能级间散射在观测到的磁阻中起什么作用？

主要发现

• 面内磁场抑制了高迁移率Si-MOS样品中的金属态电阻率下降，使其输运行为类似于低迁移率样品。
• 磁场对电阻率的影响平滑连续，无阈值，表明散射率逐渐增加。
• 在高温下，面内磁场下的电阻率恢复到与高温'德鲁德'电阻率相同的值，尽管输运仍为非激活态。
• 电阻率的磁阻和温度依赖性可由场依赖无序模型定量描述，其中T无关的散射率ρ₀(B)随磁场增加。
• 临界载流子密度n_c随面内磁场增加，与增强的无序一致，且电阻率下降幅度（ρ₁+ρ₀）/ρ₀随磁场减小。
• 包含场依赖无序的模型能很好地拟合数据，特别是当使用幂律因子T⁻ᵖ而非多项式来描述电阻率转变中的'倾斜分界面'时。