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1、第20卷第1期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.11999年1月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,1999整数、分数量子霍耳效应简介郑厚植(中国科学院半导体研究所 超晶格国家重点实验室 北京 100083)摘要 1998年10月三位美国科学家,DanielTsui,HorstStormer和RobertLaughlin,由于发现分数量子霍耳效应所做出的杰出贡献而获得诺贝尔物理奖,这一重要事件重新引起了人们对量子霍耳效应的关注.本文力图从物理角度概要介绍整数、分数量子霍耳效应的主要物理现象和机制,诸如边缘态
2、,Laughlin态,分数电荷、梯队结构、M=1ö2态和组合费米子等.PACC:7340H1 引言1980年德国科学家冯克利钦在低温(1.5K)和强磁场(15特斯拉)下测量金属2氧化物2半导体场效应晶体管(MOSFET)反型层中二维电子气(2DEG)的霍耳效应中发现:霍耳电阻R随二维电子浓度N(栅电2压)的变化曲线上出现了一系列数值为höie的,具有一定宽度的电阻平台,与此同时纵向电阻Rxx在相应的栅压区域内的数值也趋于零.这就是著名的整数量子霍耳效应(IQHE).为此,德国科学家KlausVonKlitzing获得了1985年诺贝尔物理学奖.1982年美国贝尔实验室三位科学家,Dani
3、elTsui、HorstStormer和ArthurGossard,在填充因子(定义为二维电子浓度N2D除以自旋极化朗道能级简并度eBöhc)为1ö3和2ö3,或者如后来更多实验证实的那样当填充因子取某些特殊的分数值pöq(q和p都为整数,但是q为奇2数)时,同样观察到一系列分数霍耳电阻平台hpöqe.1983年美国科学家Laughlin用强关联费米液体态解释了分数量子霍耳效应(FQHE)的物理机制.1998年10月瑞典皇家科学院宣布DanielTsui(崔崎,美籍华裔科学家)、HorstStormer(美籍德裔科学家)和RobertLaughlin由于在发现分数量子霍耳效应方面所做出的
4、杰出贡献而获得1998年诺贝尔物理学奖.量子霍耳效应(QHE)在时隔13年内二次获得如此殊荣不能不说是低维半导体物理研究对当代凝聚态物理发展作出的重大贡献.本文力图从物理角度来阐明量子霍耳效应的主要物理现象和机制,使读者对它有一概貌的了解.2 整数量子霍耳效应整数、分数量子霍耳效应是二维电子体系在极低温和强磁场条件下呈现出来的、独特的强关联属性.如果没有半导体异质结构所提供的近乎理想的二维电子体系,要想观察和研究FQHE是不可能的.虽然二维电子系统有许多种,例如液氦表面的二维电子气、双晶中的二维电子气和MOSFET(金属2氧化物2半导体场效应晶体管)中位于Si2SiO2界面反型层中的二维
5、电子气等.但是,只有位于如图1所示的GaAsöAl2GaAs调制掺杂异质结界面的二维电子气是最近乎理想的二维电子系统.GaAs、AlGaAs二种半导体材料导带底在界面处的不连续性$Ec和AlGaAs中调制掺杂在界面附近产生的空间电荷效应在临近界面的GaAs一侧形成了沿生长方向(z方向)的类三角形势阱.在极低温度下郑厚植 男,1942年出生,研究员,中国科学院院士,当前从事专业:固体物理、半导体低维物理1998211224收到2 半 导 体 学 报 20卷界面势阱使电子失去了沿z方向运动的自由度,被冻结在最低的量子化子能级E0上,电子波函数被局域在界面势阱的范围
6、之内,如图1所示.在这种情况下电子只能沿界面作自由运动,故称作二维电子气.由于GaAsöAlGaAs是晶体匹配的材料体系,利用现代分子束外延(MBE)生长技术几乎可以获得原子级平整的界面,大大减少了界面缺陷、界面粗糙度对输运性质的影响.另一方面超高真空下MBE生长保证了GaAs、Al213-3GaAs本征材料的纯度可达到10cm的水平.更为重要的是利用调制掺杂可将施主杂质(Si)掺杂在离界面一定距离以外的AlGaAs一侧,转移到窄能隙的GaAs侧界面势阱中的二维电子远离产生它的电离施主,使它们感受到的库仑散射作图1GaAlAsöGaAs异质结界面势阱的静电用大大减弱,极大地提高了二维电子
7、气在低温下势能V(z)、波函数和子带基态能E0的迁移率.迄今为止,GaAsöAlGaAs调制掺杂异72质结能获得的电子迁移率已高达1×10cmö(V·s).这意味着调制掺杂异质结构已将杂质、缺陷等对二维电子系统的“干扰”降低到最低限度,这才使电子间的多体相互作用显得更为重要起来.因此,从某种意义来说,性质优异的调制掺杂异质结构为IQHE和FQHE的发现提供了必要条件.在图2所示的标准霍耳桥样品上外加一垂直二维电子气平面的磁场B(z方
