双HgTe量子阱中结构反转不对称的原因

　　文/大壮编辑/大壮
　　研究了未掺杂p型HgTe/CdHgTe双量子阱中主磁吸收谱线分裂值的密度依赖性。
　　基于能带结构的自一致计算，对磁吸收线的分裂值进行分析，可以阐明双HgTe/CdHgTe量子阱中结构反转不对称的起源， 并确定内部电场对量子阱的贡献、量子阱厚度的差异以及它们在结构中的排列顺序。介绍
　　HgTe/CdHgTe中的量子阱具有许多显著的物理性质，这些物理性质随量子阱参数的变化而变化，如量子阱的厚度、dQW和势垒含量。 特别是当厚度大于临界值dc ~ 6.3 nm时，发生能带反转(类空穴子带H1的能量高于类电子子带E1)，导致导电边缘态和拓扑绝缘体相的出现，符合Z2分类。在临界量子阱厚度处，观察到无间隙相位:带隙消失，布里渊带中心附近电子和空穴的色散关系由无质量狄拉克方程描述，这使得可以将此类量子阱视为石墨烯的＂单谷＂模拟物。不同相之间的转变不仅发生在HgTe QW参数的变化下，还发生在压力、温度甚至无序度的变化下。
　　双HgTe/CdHgTe量子阱(DQWs)具有更多样化的相态集  ， 这是由布里因带中心的H1和H2子带的空穴态分离势垒的隧穿不透明性和E1和E2类电子子带的隧穿透明性引起的。 根据量子阱的厚度和隧穿势垒的宽度，在布里渊带中心可以实现不同的子带布置。特别是，E2-E1-H1-H2序列(能量递减方向)对应于正常的能带结构和平凡的绝缘体相，而E2-H1-H2-E1序列导致了类似于双层石墨烯对称DQW的无间隙谱(图1a)。最后，在宽dqw中可以存在与H1-H2-E2 -…- e1子带顺序相对应的＂双反转＂绝缘子相(图1b)。在H1-E1和H2-E2两个子带中同时反转导致两对边缘态的出现，其谱中存在一个间隙， 这是由通过分离CdHgTe势垒的自旋依赖隧穿引起的。  最近，有人预测双HgTe/CdHgTe QW中的双反转绝缘子相是在样品的两个互锁边的某些晶体方向上产生零维(0D)角态的二阶拓扑绝缘子。
　　双HgTe/CdHgTe量子阱的一个显著特征是可以通过改变由电场(例如，通过单侧掺杂壁垒)或量子阱的差异引起的体系中结构反转不对称程度来控制相变。  因此，＂双层石墨烯＂相中的结构不对称导致二维(2D)态谱和拓扑绝缘体相中出现一对无间隙态，出现在样品的边缘。此外，由于双反演绝缘子相一维(1D)边态谱的间隙由两个量子阱之间的隧穿决定，而隧穿又依赖于外加电场，体系结构反演不对称性的变化也为双HgTe/CdHgTe量子阱[14]中一维谱边态和0D角态的重新排列提供了可能。 注意，增加结构反转不对称程度，不仅可以控制一维态和二维态光谱间隙的宽度，还可以改变子带顺序，从而实现由外部电场控制的拓扑相变。
　　由于在实际异质结构生长过程中不可能保持理想的异质势对称，双HgTe/Cd-HgTe量子阱总是存在一定程度的结构反转不对称， 这是由两个量子阱轮廓的差异和不对称的内建电场造成的。 后者是由于HgTe中的载流子与帽层和外部屏障中的给体/受体在空间上的分离。在最近的工作中， 研究表明双HgTe/CdHgTe量子阱向方向生长的异质结构中确实存在估计为几千伏/厘米的内置电场。
　　我们观察到由于双HgTe/CdHgTe QWs的结构反转不对称，由零模朗道能级的跃迁引起的主要磁吸收谱线的额外分裂，指数为-2(见图2的插图)。这种指数为-2的朗道能级分裂导致了＂重入＂量子霍尔效应(QHE)的出现，当施加3 V的正栅极电压时，量子霍尔效应变得＂正常＂。 结果表明，该电压导致结构反转不对称的＂中和＂和指数为-2的能级简并。  最后，在中双HgTe量子阱双层石墨烯相中局部电阻栅扫的温度依赖测量显示了带隙为11 meV的拓扑绝缘体相的行为特征。二维态谱中的这种间隙可以用13 kV/cm的内置电场来解释。
　　结果与讨论
　　图2所示为样品A和B在指数为-2和-1的朗道能级之间＂主要＂跃迁对应的能量范围内的典型磁吸收光谱。光谱显示两条强β1和β2谱线分别分裂。β1线对应从零模-2能级到-1能级的过渡(见图2中的插图)，β2线对应到-1能级的过渡。
　　β1和β2谱线的额外分裂是由于HgTe/CdHgTe DQW体系的结构反转不对称，这消除了-2朗道能级的简并。这些能级的简并度与对称dqw中H1和H2子带在k=0处的重合直接相关(见图1)，指数为-2的零模朗道能级之间的能量差ΔE就是k=0处H1和H2子带之间的能量差。正如引言中已经提到的，这种结构不对称可能是由内置电场和两个量子阱之间的差异引起的。然而，如图2所示，随着载流子密度的减小，β1和β2谱线的分裂值减小。 这清楚地表明，结构反转不对称的主要贡献正是来自于内置电场，该电场随DQWs中空穴密度的变化而变化。
　　磁吸收谱线强度对载流子密度的依赖主要是由朗道能级占位指数为-2的变化引起的。 在超量子极限(ν⩽1)中，我们得到了磁吸收光谱(图2)，费米能级位于-2的上能级。朗道能级空穴数量的减少相当于电子密度的增加。 因此，随着空穴密度的减小，来自底部-2能级的高能-2→- 1跃迁的强度应该不会有明显变化，而来自上部-2能级的低能跃迁的强度应该会增加。 这与β2谱线的谱线分量和低能谱线的行为很好地对应(图2)。同时，β2谱线的高能谱线的强度增加的原因尚不清楚。
　　每个磁吸收谱都近似于几个洛伦兹的和。测定了所有磁吸收谱线的位置和参数，包括β1和β2谱线。接下来，测定β1和β2谱线的分裂值ΔE，并得到它们对磁场的依赖关系。由于没有明显的依赖于磁场的分裂值被观察到，所有指示的值为一个给定的载流子密度和考虑的转变的平均值。
　　图3显示了指示的平均劈裂值与孔密度的关系。标准偏差表示为误差。从图3可以看出，载流子密度与分裂值之间存在明显的关系:密度的减小导致分裂值的减小。此外，值得注意的事实是，在所有情况下，β2线的分裂都大于β1线的分裂，这在样品A中尤其明显(图3a)。这种线分裂的差异在原则上不能用＂单电子＂近似来解释。
　　为了揭示第一种机制的影响，我们根据不同孔密度下量子阱δ(见图1a的插图)之间的差异进行了额外的分裂值计算，假设它们都来自表面(图4b)。 结果表明，对于非零载流子密度，量子阱之间的差异可以增加或减少分裂值。其中一个重要的作用是不同量子阱的序列相对于内置电场的方向。  在我们假设量子阱中孔洞的供给者是由表面扮演的情况下，场从量子阱定向到表面(见图1a的插图)。其中对栅极施加正电压降低了劈裂值。如果该构型中较宽的量子阱更靠近面层，则非零孔密度下的分裂值小于零孔密度下的分裂值，这是由于内置电场和量子阱之间的差异对结构反转不对称性的贡献相互部分补偿。
　　结论
　　在这项工作中，我们分析了主要的β1和β2磁吸收线的分裂值ΔE与载流子密度的关系。观察到的依赖关系已经在两个样品的结构反转不对称性模型中得到解释，包括受体的不对称分布和HgTe/CdHgTe双量子阱中阱间的差异。对在该模型中进行的实验线分裂的分析表明， 双量子阱中至少75%的孔与CdTe帽层的受体有关。零模朗道能级的实验分裂值之间的差异，从β1和β2谱线的分裂值分析中提取，表明多粒子效应对朗道能级之间跃迁能量的影响。