[论文解读] Valley Splitting in Si-Inversion Layers at Low Magnetic Fields

V. M. Pudalov, Alexander Punnoose+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2001

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究首次在低磁场（B < 0.8 T）下实验观测到(100) Si反转层中的谷能级分裂，其在Shubnikov-de Haas振荡中诱导出强烈的拍频图案。零场谷能级分裂在载流子密度范围(3–7)×10¹¹ cm⁻²内变化微弱，最大振幅调制接近100%，表明两个谷中的散射时间几乎相等，从而排除了子能级间散射作为金属态电阻率行为的起源。

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.

研究动机与目标

• 研究谷能级分裂在低密度Si反转层中金属态电阻率温度依赖性中的作用。
• 确定谷能级分裂是否导致高迁移率Si-MOS结构中表观金属-绝缘体相变（MIT）的成因。
• 利用Shubnikov-de Haas振荡测量高迁移率Si样品中的零场谷能级分裂及其密度依赖性。
• 区分谷能级分裂与其他机制（如子能级间散射）作为电阻率随温度和面内磁场强烈变化的起源。

提出的方法

• 在低磁场（B < 0.8 T）下测量载流子密度为(3–7)×10¹¹ cm⁻²的高迁移率n-Si-MOSFET中Shubnikov-de Haas振荡。
• 通过干涉结构的傅里叶分析提取零场谷能级分裂Δv，分析振荡中的拍频图案。
• 采用包含Landau能级量化、Zeeman分裂和谷能级分裂的单电子能谱模型：ε = ℏωc(N + ½) ± ½g*μBB ± ½Δv(B)。
• 通过振荡振幅和相位偏移推断两个谷中相对的散射时间。
• 将振荡特征与Landau能级图相关联，并识别填充因子ν = 1, 2, 3, 4, 6，以映射低磁场下的能级交叉。
• 使用高分辨率磁输运测量至约0.2 T，仅受限于弱反局域化（量子干涉）的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低磁场（B < 0.8 T）下，Si反转层中的谷能级分裂是否在Shubnikov-de Haas振荡中显现？
• RQ2 高迁移率Si样品中零场谷能级分裂的大小及其密度依赖性如何？
• RQ3 观测到的振荡振幅100%调制能否由两个谷中相等的散射时间解释？
• RQ4 子能级间散射是否导致这些体系中金属态电阻率的温度依赖性？
• RQ5 能级层次结构在低磁场下如何演化？能否明确归因于ν=6的振荡起源？

主要发现

• 零场谷能级分裂Δv在载流子密度范围(3–7)×10¹¹ cm⁻²内仅变化1.3倍，表明其密度依赖性极弱。
• Shubnikov-de Haas振荡拍频图案中观测到的100%调制深度意味着两个谷中的散射时间几乎相等，差异不超过3%。
• 两个谷中的能级展宽差异不超过3%，从而排除了子能级间散射作为金属态电阻率行为的主导机制。
• 表观金属态电阻率及“金属-绝缘体”相变并非由子能级间散射引起，与先前推测相反。
• 低磁场下ν=6振荡的起源无法明确归因于Zeeman分裂，因为在能级交叉附近单电子图像已失效。
• Zeeman能量随密度降低而平滑增加，与费米液体重整化一致，无异常现象，与早期关于低密度下g*-因子增强的断言相矛盾。