Magnetization Measurements on Low-Dimensional Electron Systems in High-Mobility GaAs and SiGe Heterostructures (PDF)

In this work, entitled "Magnetization Measurements on Low-Dimensional Electron Systems in High-Mobility GaAs and SiGe Heterostructures", micromechanical cantilever magnetometers have been used to measure the orbital magnetization of low-dimensional electron systems. The magnetization oscillations observed in the experiment at low temperature reflect the ground state energy of the electron systems. In particular we investigated two-dimensional electron systems (2DESs) of different mobility in GaAs as well as a high-mobility 2DES in Si as a function of magnetic field, temperature and tilt angle between 2DES normal and magnetic field. The 2DESs were realized by molecular beam epitaxy of AlGaAs/GaAs and SiGe/Si. Furthermore, GaAs quantum wires have been investigated.

In the GaAs 2DESs we observe the de Haas-van Alphen (dHvA) effect at filling factors corresponding to the Fermi energy being located between Landau levels. In a sample of mobility µ = 9 x 106 cm2/Vs the dHvA effect is very close to an ideal sawtooth. Additional dHvA oscillations occur at fillings corresponding to the Fermi energy lying between spin split levels. The latter are found to be strongly enhanced by the Coulomb exchange interaction. In Si we additionally observe a splitting of the two occupied conduction band valleys in high magnetic fields that is also dominated by electron-electron interaction. Measurements in tilted fields revealed the coupling between the electric confinement and the magnetic confinement induced by a parallel magnetic field component. This led to a characteristic dependence of the dHvA effect on the tilt angle. Coincidence measurements have been used as an independent method to determine the spin splitting quantitatively. The valley splitting was found to be independent of the tilt angle. Comparison with calculations based on a model density of states (DOS) showed that a filling factor dependent background DOS has to be assumed in order to quantitatively model the data. This background can be attributed to the influence of the edge states. The measurements on quantum wires with many occupied subbands show that the confinement potential is effectively screened by the electron-electron interaction down to an electronic wire width of 160 nm. The dHvA oscillations directly reflect this effect. Comparison with calculations assuming a parabolic confinement shows that the DOS between Landau levels increases with decreasing wire width.

In dieser Arbeit mit dem Titel "Magnetization Measurements on Low-Dimensional Electron Systems in High-Mobility GaAs and SiGe Heterostructures" wurden mikromechanische Cantilever-Magnetometer benutzt, um die orbitale Magnetisierung von niedrigdimensionalen Elektronensystemen zu untersuchen. Die Magnetisierungsoszillationen, die im Experiment bei tiefer Temperatur auftreten, spiegeln den Verlauf der Grundzustandsenergie wider. Im Speziellen wurden zweidimensionale Elektronensysteme (2DES) verschiedener Beweglichkeit in GaAs sowie ein hochbewegliches 2DES in Si als Funktion des Magnetfeldes, der Temperatur und des Verkippungswinkels zwischen 2DES Normale und Magnetfeld untersucht. Die 2DES wurden mittels Molekularstrahlepitaxie von AlGaAs/GaAs und SiGe/Si realisiert. Weiterhin wurden GaAs Quantendrähte untersucht.

In den GaAs 2DES wurde der de Haas-van Alphen (dHvA) Effekt an Füllfaktoren beobachtet, die einer Lage der Fermienergie zwischen den Landau-Niveaus entsprechen. In einer Probe mit Beweglichkeit µ = 9 x 106 cm2 ist der dHvA Effekt nahezu perfekt sägezahnförmig. Weitere dHvA Oszillationen treten bei Füllgraden auf, an denen die Fermienergie zwischen spinaufgespaltenen Niveaus liegt. Letztere sind durch die Coulomb-Austauschwechselwirk-ung stark vergrößert. In Si beobachten wir zusätzlich eine energetische Aufspaltung der bei-den besetzten Leitungsband-Täler in starken Magnetfeldern, die ebenfalls von der Elektron-Elektron Wechselwirkung dominiert wird. Messungen in verkippten Magnetfeldern zeigten den Einfluss der Kopplung zwischen dem elektrischen Einschlußpotenzial und dem magnetischen Einschluß aufgrund der parallelen Magnetfeldkomponente. Dies führte zu einer charakteristischen Abhängigkeit des dHvA Effektes vom Verkippungswinkel. Koinzidenz-Messungen wurden als unabhängige Methode benutzt, um die Spin- Aufspaltung quantitativ zu bestimmen. Die Täler-Aufspaltung erwies sich als unabhängig vom Verkippungswinkel. Der Vergleich mit auf einer Modellzustandsdichte basierenden Rechnungen zeigte, daß eine linear vom Füllfaktor abhängige Untergrundzustandsdichte angenommen werden muss, um die Messergebnisse quantitativ zu modellieren. Dieser Untergrund kann dem Einfluss der Randzustände zugeschrieben werden. Die Messungen an Quantendrähten mit vielen besetzten Subbändern zeigen, daß das Einschlußpotenzial bei einer elektronischen Drahtbreite von 160 nm noch effektiv durch die Elektron-Elektron Wechselwirkung abgeschirmt wird. Die dHvA Oszillationen spiegeln diesen Effekt direkt wider. Der Vergleich mit Modellrechnungen für ein parabolisches Einschlußpotenzial zeigt, daß die Zustandsdichte zwischen den Niveaus mit abnehmender Drahtbreite ansteigt.