零带隙附近HgCdTe半导体二维电子气的自旋轨道耦合特性研究

Spin-orbit coupling in the two-dimensional electron gas of Hg1-xCdxTe with different Cd components will be investiged by magnetotransport measurements in this project.The main contents include the following points.The beating pattern of magnetoresistance and weak antilocalization related to spin-orbit coupling in the two-dimensional electron gas of Hg1-xCdxTe will be investigated at different gate voltages. Then spin-related parameters, such as spin-orbit coupling parameter, spin-orbit scattering time, and transport scattering time, will be extracted as a function of gate voltages. The gate-voltage dependence of spin-orbit coupling and spin-relaxation properties will be analyzed. Finally，spin relaxation mechanism will be dicussed. All these properties are basically important for spintronic devices.

本项目主要采用磁输运测试方法研究不同Cd组分的Hg1-xCdxTe窄禁带半导体二维电子气的自旋轨道耦合特性。主要内容包括：在不同栅压条件下，从实验上观察HgCdTe窄禁带半导体二维电子气中自旋轨道耦合引起的振荡磁阻的拍频效应和反弱局域效应；分析拍频效应和反弱局域效应，得到自旋轨道耦合参数及自旋弛豫的三个特征时间参数(自旋轨道散射时间、输运散射时间和非弹性散射时间)，得到这些参数随Cd组分、外加栅压的变化规律；揭示自旋轨道耦合作用的栅压调控规律和自旋弛豫特性，掌握自旋弛豫的主要机制，为在自旋电子器件中的应用提供参考。

窄禁带半导体低维体系的自旋轨道耦合特性一直是自旋电子学研究的前沿热点。在自旋电子器件中操作电子自旋需要的能量在meV数量级，这将有助于解决晶体管器件尺寸减小带来的功耗和散热问题。本项目主要研究了窄禁带半导体Hg1-xCdxTe表面反型层二维电子气的自旋轨道耦合特性，得到的主要结果如下：(1)利用熵最大原理迁移率谱分析方法研究了阳极氧化前后组分x=0.237的Hg1-xCdxTe窄禁带半导体的输运特性，得到阳极氧化之前参与导电的载流子主要是空穴，而阳极氧化后Hg1-xCdxTe样品中参与导电的载流子主要来源于高迁移率的表面反型层电子(2)通过深低温强磁场条件下的磁输运测试，研究了不同Cd组分和不同载流子浓度Hg1-xCdxTe表面反型层二维电子气的自旋轨道耦合特性，结果表明禁带宽度越窄的Hg1-xCdxTe材料中自旋轨道耦合作用越强，相同Cd组分的Hg1-xCdxTe表面反型层二维电子气中载流子浓度高越高自旋轨道耦合强度，而且自旋轨道耦合强度对禁带宽度的依赖更强(3)在组分是0.237的Hg1-xCdxTe表面反型层二维电子气中观察到弱局域和反弱局域现象，用Gloub模型拟合提取出自旋轨道耦合散射时间约为0.15ps，这表明在该体系中存在非常强的自旋轨道耦合，容易让自旋失去其相位记忆特性；此外还得到了非弹性散射时间随温度的变化规律，表明在该体系中存在电子-电子相互作用(4)基于原子层沉积技术实现一种碲镉汞表面绝缘层的制备方法，采用臭氧作为氧源,在低于100oC的条件下在碲镉汞上生长非晶Al2O3绝缘层，通过电容-电压特性表征技术得到其击穿电压可以达到2MV/cm。该项制备方法具有反应温度低、绝缘层质量高、可控性好等优点，这将在有机场效应晶体管和HgCdTe基自旋器件领域具有广阔的应用前景。此外，还研究了HgMnTe材料中光诱导的磁化效应。在该项目的支持下，已经发表SIC论文3篇，申请专利1项，在读研究生3名，参加学术会议2次。