Localization phenomena in inas/gasb composite quantum wells with disorder

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.