Elektronenspinresonanz-Untersuchungen an zweidimensionalen Elektronensystemen in III-V-Halbleitern

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweidimensionale Elektronengase in zwei verschiedenen Materialsystemen mit Methoden der Elektronenspin-Resonanz untersucht. Beide Systeme bilden das 2-DEG innerhalb eines Quantentopfs aus, der durch Heterostrukturierung der Halbleiter erreicht wird. Beide Systeme sind aus der Gruppe der III-V-Halbleiter, an denen bislang direkte ESR-Messungen nicht reproduzierbar gelungen waren. Messungen am Galliumarsenid-System: Die Standard-ESR-Messungen im Q-Band erwiesen sich als sehr schwierig. Dies war vor allem darauf zurückzuführen, dass das ESR-Signal nicht nur wie erwartet schwach und breit ist, sondern auch eine sehr große dynamische Kernspinpolarisation und eine dadurch verursachte Overhauserverschiebung zeigt. Im Upsweep wurde der g-Faktor der GaAs-Linie zu g = 0.39 bestimmt. Die Genauigkeit ist sehr gering, da zum einen das Signal-Rausch-Verhältnis sehr schlecht ist, zum anderen die Linienform sehr verzerrt, sodass die Linienlage lediglich aus dem Nulldurchgang ermittelt werden konnte. Dieses Ergebnis war bei vielen Einzelmessungen mit geeigneten Messbedingungen reproduzierbar. Im Downsweep variiert die Position der Linie sehr stark mit den Randbedingungen. In einzelnen Fällen konnte eine Serie von Spektren aufgenommen werden, in denen sich die Linie von Sweep zu Sweep verschiebt. Dies und die Tatsache, dass ein einzelner Sweep über den Messbereich etwa 20 Minuten dauert, machten es unmöglich, die Vielzahl experimenteller Parameter hinreichend gut zu optimieren. Letztlich konnten weder vergleichbare Messungen bei verschiedenen Leistungen, noch Temperaturreihen gemessen werden. Allerdings konnten bei Temperaturen über 10 Kelvin keine ESR-Signale gemessen werden. Die abgeschätzten Linienbreiten liegen zwischen 300 und 500 Gauss. Um den Einfluss der Hyperfeinwechselwirkung auszuschalten, wird bei einer ESR-Linienlage von X Tesla eine RF eingestrahlt, sodass die Kernresonanz des Arsens (50 % der Kernspins) bei (X-0.2) Tesla liegt. Dann wird die ESR im Downsweep gemessen. Da die ESR-Linie im Downsweep durch die DNP stetig zu kleineren Magnetfeldern 'verschoben' wird, erreicht man irgendwann das Feld, bei dem die Kerne in Resonanz sind und depolarisiert werden. Die ESR-Linie kann nicht weiter 'geschoben' werden, und man misst eine sehr scharfe Linie. Diese Messungen konnten erfolgreich und reproduzierbar durchgeführt werden. Messungen am Aluminiumarsenid-System: An der Aluminiumarsenid-Probe konnte die direkte Detektion der ESR an den Elektronen im QW demonstriert werden. Die Detektion erfolgt durch das Bychkov-Rashba-Feld. Dieses Feld entsteht durch die Spin-Bahn-Kopplung der Leitungselektronen in nicht inversionsymmetrischen Gittern. Transport-Messungen zeigen, dass die AlAs-2D-Elektronen beide in-plane X-Täler besetzen. Direkte ESR in dem zweidimensionalen Elektronengas des AlAs-Quantentopfes konnte gemessen werden. Die Probe wurde im X-Band bei 9.35 GHz und im Q-Band bei 34 GHz bei Temperaturen von 4-35 Kelvin untersucht. Der g-Faktor konnte zu 1.991 bei 9.35 GHz und zu 1.989 bei 34 GHz bestimmt werden. Die Linienbreite beträgt 7 Gauss. Die Temperatur- und Leistungsabhängigkeiten des ESR-Signals bestätigen, dass das Signal über das Bychkov-Rashba-Feld detektiert wird.

Direct electron spin resonance (ESR) has been demonstrated in two dimensional electron systems in galliumarsenide and aluminiumarsenide semiconductor systems. In both systems direct ESR has not yet been successfully applied. A fabry-perot resonator for use at 34 GHz has been designed and built.

Galliumarsenide-System: Direct ESR on a multiple GaAs quantum well shows an electronic g-factor of -0.39 at 34 GHz while sweeping the magnetic field upwards. In the downward sweep the resonance field is shifted by the magnetic hyperfine field of the nuclei. This effect is very pronounced in GaAs due to the 100% abundance of spin carrying nuclei and the strong dynamic nuclear polarization effects. Therefore an accumulation of sweeps was not possible. Single measurements were in principle possible but difficult. Introducing double-resonance measurements to eliminate the influence of the nuclear spins proved to be successful.

Aluminumarsenide-System: Direct ESR on a high mobility two dimensional electron gas in a single AlAs quantum well reveals an electronic g-factor of 1.991 at 9.35 GHz and 1.989 at 34 GHz with a minimum linewidth of 7 Gauss. The ESR amplitude and its temperature dependence suggest that the signal originates from the effective magnetic field caused by the spin-orbit-interaction and a modulation of the electron wavevector caused by the microwave electric field. This contrasts markedly to conventional ESR that detects though the microwave magnetic field.