| License: Creative Commons Attribution 4.0 PDF - Published Version (21MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-520930
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.52093
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 6 April 2022 |
| Referee: | Prof. Dr. Sergey D. Ganichev |
| Date of exam: | 18 February 2022 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Professor Ganichev > Group Sergey Ganichev |
| Keywords: | Terahertz, HgTe, microwave-induced resistance oscillations (MIRO), photoconductivity, photogalvanics, topological insulator (TI) |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 52093 |
Abstract (English)
This work is devoted to the study of mercury cadmium telluride based heterostructures employing techniques such as terahertz spectroscopy and magnetophotoconductivity. An important goal of this work is to obtain a better understanding of the topological boundary states in these materials and their influence on electro-optical effects. The investigations focus on two-dimensional HgTe quantum wells ...
Abstract (English)
This work is devoted to the study of mercury cadmium telluride based heterostructures employing techniques such as terahertz spectroscopy and magnetophotoconductivity. An important goal of this work is to obtain a better understanding of the topological boundary states in these materials and their influence on electro-optical effects. The investigations focus on two-dimensional HgTe quantum wells as well as three-dimensional CdₓHg₁₋ₓTe films in both topologically trivial and non-trivial regimes. Using continuous and pulsed terahertz excitation, fascinating optoelectronic phenomena were discovered in the course of this study.
A detailed investigation of the terahertz photoconductivity in HgTe QWs with inverted and non-inverted parabolic as well as linear band dispersion revealed that these structures manifest a distinct sign-alternating photoresponse in magnetic field. Upon increase of the external, out-of-plane magnetic field, the photoconductivity systematically changes its sign. This remarkable effect was observed in QWs corresponding to both topologically trivial and non-trivial regimes. Additionally, it was studied in samples with different geometries including conventional Hall bar and Corbino disk design. Notably, the analysis of the photoconductivity in Corbino disk samples brought up an elegant optoelectronic method to probe the carrier mobility in such systems.
During the research on the sign-alternating photoconductivity, a qualitatively different behavior of the photoresponse was observed in a high-mobility 20 nm QW. Instead of a single or double sign inversion in magnetic field, pronounced ω/ωc -periodic oscillations were observed in photoresistivity for the Fermi energy lying in the conduction band. Further analysis demonstrated that these oscillations have the same origin as microwave-induced resistance oscillations (MIRO), which have previously been observed only in systems with
ultra-high mobility, such as ultra-clean high-mobility GaAs quantum wells, under illumination with microwave radiation. Similar to Shubnikov-de Haas oscillations, which result from an interplay of Fermi energy and cyclotron energy, MIRO express the commensurability between the photon energy and the cyclotron energy. Recently, their terahertz analogue, the terahertz-induced resistance oscillations (TIRO), were observed in GaAs quantum wells as well as in three-dimensional HgTe topological insulators. The results presented in this work represent the first observation of such MIRO-like oscillations in HgTe quantum wells.
In addition to two-dimensional systems, the optoelectronic properties of three-dimensional CdₓHg₁₋ₓTe films were studied in the last part of this thesis. The investigation of topologically non-trivial CdₓHg₁₋ₓTe films with an inverted band ordering revealed cyclotron resonance involving the two-dimensional surface states. The surface state resonance was detected in terahertz radiation transmission as well as photogalvanic experiments. However, it was absent in the investigated CdₓHg₁₋ₓTe films with higher cadmium contents corresponding to the topologically trivial regime, demonstrating the origin of the resonance in the surface state carriers. Moreover, experiments with different film designs showed the importance of sharp interfaces between topologically trivial and non-trivial layers for the formation of fully two-dimensional topological surface states.
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit ist der Untersuchung von Heterostrukturen auf der Basis von Quecksilber-Cadmium-Tellurid gewidmet, wobei Techniken wie Terahertz-Spektroskopie und Magneto-Photoleitfähigkeit zum Einsatz kommen. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis für die topologischen Oberflächenzustände in diesen Materialien und deren Einfluss auf elektro-optische Effekte zu erlangen. ...
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit ist der Untersuchung von Heterostrukturen auf der Basis von Quecksilber-Cadmium-Tellurid gewidmet, wobei Techniken wie Terahertz-Spektroskopie und Magneto-Photoleitfähigkeit zum Einsatz kommen. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis für die topologischen Oberflächenzustände in diesen Materialien und deren Einfluss auf elektro-optische Effekte zu erlangen. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf zweidimensionale HgTe-Quantentöpfe sowie dreidimensionale CdₓHg₁₋ₓTe-Filme mit sowohl topologisch trivialen als auch nicht-trivialen Eigenschaften. Unter Verwendung von kontinuierlicher und gepulster Terahertz-Anregung wurden im Rahmen dieser Studie faszinierende optoelektronische Phänomene entdeckt.
Eine detaillierte Untersuchung der Terahertz-Photoleitfähigkeit in HgTe-Quantentöpfen mit invertierter und nicht-invertierter parabolischer sowie linearer Banddispersion ergab, dass die Photoleitfähigkeit in diesen Strukturen ein charakteristisches Verhalten unter Anlegung eines Magnetfeldes senkrecht zum Quantentopf (QW) zeigen. Bei einer Erhöhung des angelegten Magnetfeldes wechselt die Photoleitfähigkeit systematisch ihr Vorzeichen. Dieser bemerkenswerte Effekt wurde sowohl in topologisch nicht-trivialen als auch topologisch trivialen Quantentöpfen beobachtet. Darüber hinaus wurde er in Proben mit unterschiedlichen Geometrien untersucht, darunter Proben mit Hall-Bar und Corbino-Disk Design. Insbesondere die Analyse der Photoleitfähigkeit in Corbino-Disk-Proben brachte eine interessante optoelektronische Methode zur Untersuchung der Ladungsträgerbeweglichkeit in solchen Systemen hervor.
Bei der Erforschung der vorzeichenumkehrenden Photoleitfähigkeit wurde ein qualitativ unterschiedliches Verhalten der Photosignale in einem hochmobilen 20 nm QW beobachtet. Anstelle eines einfachen oder doppelten Vorzeichenwechsels im Magnetfeld wurden ausgeprägte ω/ωc-periodische Oszillationen im Photowiderstand beobachtet für Positionen der Fermienergie im Leitungsband. Weitere Analysen zeigten, dass diese Oszillationen denselben Ursprung haben wie mikrowelleninduzierte Widerstandsoszillationen (MIRO). Diese wurden bisher nur in Systemen mit ultrahoher Mobilität, wie z. B. hochreinen, hochbeweglichen GaAs-Quantentöpfen, unter Beleuchtung mit Mikrowellenstrahlung beobachtet. Ähnlich wie die Shubnikov-de Haas-Oszillationen, die aus einem Zusammenspiel von Fermi-Energie und Zyklotron-Energie resultieren, drücken MIRO die Kommensurabilität zwischen der Photonenenergie und der Zyklotron-Energie aus. Kürzlich wurde ihr Terahertz-Analogon, die Terahertz-induzierten Widerstandsoszillationen (TIRO), in GaAs-Quantentöpfen sowie in dreidimensionalen topologischen HgTe-Isolatoren beobachtet. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse stellen die erste Beobachtung solcher MIRO-ähnlicher Oszillationen in HgTe-Quantentöpfen dar.
Zusätzlich zu den zweidimensionalen Systemen wurden die optoelektronischen Eigenschaften von dreidimensionalen CdₓHg₁₋ₓTe-Filmen im letzten Teil dieser Arbeit untersucht. Die Untersuchung topologisch nicht-trivialer CdₓHg₁₋ₓTe-Filme mit invertierter Bandstruktur brachte die Zyklotronresonanz der zweidimensionalen Oberflächenzustände zu Tage. Die Resonanz der Oberflächenzustände wurde sowohl mit Terahertz-Transmissionexperimenten als auch mit photogalvanischen Experimenten nachgewiesen. In den untersuchten CdₓHg₁₋ₓTe-Filmen mit höheren Cadmiumgehalten, die dem topologisch trivialen Bereich entsprechen, war sie jedoch nicht messbar. Dies belegt den Ursprung der Resonanz in den Oberflächenzuständen. Darüber hinaus zeigten Experimente mit verschiedenen Filmdesigns die Bedeutung scharfer Grenzflächen zwischen topologisch trivialen und nicht-trivialen Schichten für die Bildung vollständig zweidimensionaler topologischer Oberflächenzustände.
Metadata last modified: 06 Apr 2022 07:28
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