Localization phenomena in inas/gasb composite quantum wells with disorder
Düzensizlik içeren ınas/gasb komposit kuantum kuyularında yerelleştirme olayları
- Tez No: 566195
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İSMET İNÖNÜ KAYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Çift katmanlı InAs/GaSb kuantum-kuyu yapısı, normal yalıtkan ve topolojik yalıtkan fazları gibi maddenin farklı durumlarına ayarlanabilen 2-boyutlu bir elektron sistemi olarak önerilmiştir. İki boyutlu topolojik yalıtkanlar kuantum spin Hall yalıtkanı olarak da adlandırılır ve zıt spin polarizasyonlarına sahip yalıtkan bir kitle, ve birbirine zıt yönlü ve zıt spinli yitirgen olmayan iki kenar durumunun varlığı ile betimlenir. Kuantum spin Hall etkisini tarif eden bu helezon kenar durumları, zaman tersinmesi simetrisi sayesinde geri saçılmaya karşı topolojik olarak korunmalıdır. Düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilen elektriksel ölçümlerle, InAs/GaSb kuantum kuyularının taşınım özellikleri incelemek ve dolayısıyla kitle/kenar davranışlarının özünü araştırmak mümkündür. Bu çalışmada InAs/GaSb çift katmanlı hetero-yapısında mukavemetli bir kuantum spin Hall yalıtkanı elde edebilmek için gereken farklı bileşenlerin incelenmesi amaçlanmıştır ve silikon katkılanarak düzensizleştirilmiş kuantum kuyularının taşınım davranışlarının değişimine ve yerelleştirme olaylarına odaklanılmıştır. İlk olarak, silikon katkılanmasından kaynaklanan topolojik olmayan kenar durumlarının yerelleştirmesi etkisi araştırılmıştır. Son yıllardaki deneysel çalışmalarla da ortaya konulduğu gibi, kuantum spin Hall etkisinin en önemli özelliği olan topolojik kenar durumlarından kaynaklanan iletkenliğin nicemlenmesi olayı, sıradan kenar durumlarından kaynaklanan iletkenlik tarafından bozulmaktadır. Bu tezde, InAs katmanı içindeki silikon tek-katmanlı katkı atomları tarafından zayıf şekilde bozulmuş olan bir InAs/GaSb hetero-yapısı içindeki sıradan kenar durumlarının güçlü yerelleştirmeye gittiği deneysel olarak ortaya konmuştur. Düşük sıcaklıklarda, sıcaklıktan bağımsız bir davranış gösteren ve yüksek sıcaklıklarda bir kuvvet yasası ile orantılı olduğu belirlenen sıradan kenar iletkenliğinin, kenar uzunluğu ile ise üstel olarak ölçeklendiği belirlenmiştir. Çok sayıda ve çeşitli aygıtlarla yapılan ölçümler kapsamlı analizinin sonuçları, 'sözde-bir boyutlu elektronik sistemlerde yerelleştirme' kuramları ile uyumludur. Spin-yörünge etkileşimi, topolojik yalıtkanların en önemli özelliklerinden birisidir. Özellikle, düzensizliği nedeniyle düşük hareketliliğe sahip elektron sistemlerinde, spin-yörünge etkileşimi, düşük-alan manyeto-iletkenlik ölçümlerinde zayıf bir karşı-yerelleşmeye neden olur. Bu çalışmada yük taşıyıcıları bir üst-kapı elektrotu yardımıyla tüketildiğinde, zayıf-karşı-yerelleştirmeden zayıf-yerelleştirmeye bir geçişin ortaya çıktığı gözlemlenmiştir. Bu etki düşük taşıyıcı yoğunluklarında elektronlar arası etkileşimlerin artmasının bir sonucu olarak faz-kaybı uzunluğunun dönme yörüngesi karakteristik uzunluğunun altına indiği durumda ortaya çıkmaktadır. Bu geçiş, sıcaklığın artışı ile de ortaya çıkar. Esnek olmayan saçılma hızının doğrusal sıcaklık davranışı, 2-boyutlu elektron sistemindeki baskın faz kırılma mekanizmasının elektron-elektron etkileşimlerinden kaynaklandığını göstermektedir. Son olarak, hepsi InAs/GaSb arayüzü yakınlarında olmak üzere, büyüme yönünde farklı konumlarda silikon atomlarının bulunan üç ayrı hetero-yapının elektriksel özellikleri karşılaştırılmıştır. Bu katmanlı yapılarda dikey düzensizlik konumuna atfedilebilecek birbirinden çok farklı taşıma davranışıları gözlemlenmiştir. Silikon atomları InAs içinde donör ve GaSb içinde alıcı olduklarından, arayüzey etkileri ve safsızlıkların neden olduğu potansiyel dalgalanmaları da dikkate alınca InAs/GaSb arayüzüne göre konumlarının çok önemli olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
A bilayer structure of indium arsenide (InAs) and gallium antimonide (GaSb) has been proposed as a two-dimensional (2D) electronic system tunable to different states of matter namely the trivial and the topological insulator (TI) phases. 2D TI which is also called quantum spin Hall (QSH) insulator is characterized by an insulating bulk and non-dissipative counterpropagating edge states with opposite spin polarizations. These features identify the quantum spin Hall effect where the helical edge states are topologically immune against backscattering guaranteed by time-reversal symmetry. Low-temperature electronic transport measurements may serve to examine the transport properties of InAs/GaSb quantum wells and therefore to inquire into the essence of its bulk and edge behavior. This work is aimed to study the constituents necessary to obtain a robust quantum spin Hall insulator based on InAs/GaSb bilayer heterostructure. We focus on the localization phenomena in InAs/GaSb bilayer quantum wells which are intentionally disordered by silicon atoms. We observed that Si doping near the InAs/GaSb interface significantly alters the transport behavior of these heterostructures. First, we investigated the localization of trivial edge states driven by silicon impurities. As confirmed by recent experimental studies, conductance quantization due to nontrivial edge states, which is the most significant highlight of the QSH effect, is obscured by spurious conductivity arising from trivial edge states. In this thesis, we present an experimental observation of the strong localization of trivial edge modes in an InAs/GaSb heterostructure which is weakly disordered by silicon delta-like dopants within the InAs layer. The edge conduction which is characterized by a temperature-independent behavior at low temperatures and a power law at high temperatures is observed to be exponentially scaled with the length of the edge. Results of comprehensive analyses on measurements done with a range of devices are in agreement with the localization theories in quasi-one-dimensional electronic systems. Spin-orbit interaction is one of the main ingredients of the TI's and in particular, in disordered and thus low mobility electronic systems it leads to a weak anti-localization characteristic in low field magnetoconductance measurements. As the charge carriers are depleted using a top gate electrode, we observed a crossover from weak anti-localization (WAL) to weak localization (WL). This occurs when the dephasing length decreases below the spin-orbit characteristic length as a result of enhanced electron-electron interactions at lower carrier concentrations. The same crossover is observed with increasing temperature. The linear temperature behavior of inelastic scattering rate indicates that the dominant phase breaking mechanism in our 2D system is due to electron-electron interactions. Finally, we compare three heterostructures (Wafers A, B, and C) all delta-doped with silicon atoms at different spatial positions in the growth direction near the InAs/GaSb interface. We found the transport behavior of these heterostructures to be very different from each other which can be attributed to the vertical position of disorder within the layered structures. Since the silicon atoms are donors to InAs and acceptors to GaSb, it matters where they are located with respect to the InAs/GaSb interface, considering the interfacial effects and potential fluctuations induced by impurities.
Benzer Tezler
- Applications of electromagnetic phenomena in periodic structures
Periyodik yapılarda beliren elektromanyetik fenomenlerin uygulama sahaları
ATİLLA ÖZGÜR ÇAKMAK
Doktora
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Biyomagnetik olaylar
Başlık çevirisi yok
M.TOGAN ÇANDIR
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. İNCİ AKKAY
- Kablosuz haberleşme için anten tasarımı
Antenna design for wireless communication
HEMRAH HIVEHCHI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Aydın ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SAEID KARAMZADEH
- Küreselleşme - yerelleşme bağlamında kent, sürdürülebilirlik ve cittaSlow (yavaş kent)
City, sustainability and CittaSlow (slow city) in the context of globalization - localization
BURAK KOÇAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kamu YönetimiAnkara Hacı Bayram Veli ÜniversitesiSiyaset Bilimi ve Kamu Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇİĞDEM ERDEM
- Tuning electron transport in metal films and graphene with organic monolayers
Başlık çevirisi yok
DERYA ATAÇ