CdTe/PbTe异质结二维电子气的电学特性研究

We have recently discovered high-density two dimensional electron gas (2DEG) at the polar interface of CdTe/PbTe heterojunctions[APL,100, 182104(2012)]. This project is proposed for the investigation of the properties of electron transport in the polar CdTe/PbTe interface. Molecular beam epitaxy is to be used for the epitaxial growth of CdTe/PbTe 2DEG structures that have high density of elelctrons and high mobilities of electrons.To understand the low temperature behaviors of the 2DEG in the CdTe/PbTe heterojunctions,low temperature magnetotransport characterizations, including Shubnikov-de Haas oscillations, quantum Hall effect and Rashba spin-orbit interaction, will be conducted. Furthermore,high electron mobility field effect transistors and spin polarized transistors that use CdTe/PbTe 2DEG as channels are to be fabricated which will demonstrate potentials of the applications in micro-nano electronics and spintronics.

最近我们在国际上首次发现了CdTe/PbTe(111)极性界面存在高密度二维电子气（2DEG）现象[APL,100,182104(2012)]，该项目拟对CdTe/PbTe 极性界面2DEG的电子输运特性开展深入研究。采用分子束外延方法构筑高电子浓度、高电子迁移率的CdTe/PbTe异质结2DEG结构，通过低温磁输运的测量和表征（包括Shubnikov-de Haas磁阻振荡，量子Hall效应和Rashba自旋-轨道劈裂等）理解CdTe/PbTe异质结2DEG在低温下的行为。在此基础上，研究高电子迁移率CdTe/PbTe异质结场效应晶体管和自旋极化晶体管器件，探明其在微纳电子学和自旋电子学领域的潜在应用前景。

在科学发展史中，物理学家在半导体异质结界面发现了的许多新奇、重要的物理现象，该项目主要对我们首次发现的CdTe/PbTe(111)极性界面高密度二维电子气的电子输运特性进行了深入的研究，我们采用分子束外延(MBE)方法生长了高质量的[111]取向极性界面CdTe/PbTe异质结，通过低温Shubnikov–de Haas磁阻振荡和量子Hall效应研究了CdTe/PbTe(111)异质结二维电子气（2DEG）在低温下的电子输运特性。它由闪锌矿晶体结构的CdTe与岩盐矿晶体结构的PbTe 构成，CdTe/PbTe异质结在(111)极性界面的成键方式提供了一种独特的2DEG形成机制，它不需要掺杂。像差校正扫描透射电子显微镜表征表明这种新颖异质结具有单原子层陡峭界面，而且没有阳离子互扩散。低温、强磁场量子振荡实验揭示其具有贝里相位特征，表明该CdTe/PbTe(111)异质结极性界面的2DEG具有狄拉克电子体系的性质，是拓扑绝缘体中的一员。我们还通过拉曼散射光谱，发现了CdTe/PbTe(111)异质界面处的声子屏蔽效应，高浓度的2DEG能够有效屏蔽异质结界面附近由晶格振动引起的极化、抑制极性振动模式的强度。我们通过角分辨光电子能谱（ARPES），我们研究了由分子束外延（MBE）生长的窄带隙半导体PbTe薄膜垂直和平行于-L方向的晶体和表面电子能带结构。通过比较ARPES实验数据和第一性原理计算结果，获得了PbTe价带能带结构、轨道特性、自旋-轨道分裂能和表面态等重要参数。上述实验发现和理论对理解PbTe的基本性质和开展相关的热电和光电子器件应用研究具有参考价值。