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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-579081
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.57908
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 15 March 2024 |
| Referee: | Prof. Dr. Sergey D. Ganichev and Prof. Dr. Christian Schüller and Prof. Dr. Dieter Weiss and Prof. Dr. Klaus Richter |
| Date of exam: | 22 February 2024 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Professor Ganichev > Group Sergey Ganichev |
| Keywords: | Terahertz, Graphene, GaAs, HgTe, quantum wells (QW), cyclotron resonance, Bernstein modes, near-field effects, terahertz-induced magnetoscillations (TIMO), microwave-induced resistance oscillations (MIRO), helicitiy immunity, photoconductivity, photoresistance |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 57908 |
Abstract (English)
In this thesis, various terahertz-induced optoelectronic phenomena coupled to the cyclotron resonance and its harmonics have been observed and thoroughly investigated. Different classes of two-dimensional electron systems characterized by linear and parabolic energy dispersions, the latter with inverted and normal band orders, served as fruitful playgrounds for the observation of intriguing ...
Abstract (English)
In this thesis, various terahertz-induced optoelectronic phenomena coupled to the cyclotron resonance and its harmonics have been observed and thoroughly investigated. Different classes of two-dimensional electron systems characterized by linear and parabolic energy dispersions, the latter with inverted and normal band orders, served as fruitful playgrounds for the observation of intriguing effects probed by magnetophotoresistance and photovoltage. The studies include encapsulated graphenebased structures and gallium arsenide and mercury telluride heterostructures. The observed phenomena have been explored in the semiclassical regime where the photon energy is significantly smaller than the Fermi energy. Graphene structures of excellent quality have revealed Bernstein modes facilitated by near-field enhanced magnetoabsorption and terahertz-driven magnetooscillations. While studying the latter in gallium arsenide quantum wells, an anomalous insensitivity of the cyclotron absorption to the helicity of the radiation has been found. This behavior is in contrast to the obtained radiation transmittance, which accurately follows the well-established Drude theory.
Basic properties and approaches describing the cyclotron resonance in transmittance and corresponding absorptance have been outlined in Chap. 5. The main experimental results and discussions of the observed effects have been presented in Chaps. 6, 7 and 8.
Terahertz-induced Bernstein modes, manifested as sharp photoresponse peaks near the cyclotron resonance harmonics, have been observed. An extensive study, described in Chap. 6, has revealed that these originate from enhanced magnetoabsorption caused by near-field effects arising in the vicinity of metallic contacts that partially protrude into the Hall bar channel. It has been shown that the emerging Bernstein modes exhibit a flat dispersion leading to a divergent plasmonic density of states. This in turn resonantly enhances the radiation absorption, resulting in strong electron gas heating and consequently a resonantly enhanced photoresponse. Extending these considerations, a strong near-field coupling mediated by metallic interdigitated dual-grating gate fingers has been exploited in bilayer graphene-based structures. The structure yields enhanced near-field diffraction, which has been used to impose an even stronger coupling of terahertz radiation and magnetoplasma excitations. Exploiting the nonlinear nature of the ratchet effect – the generation of a dc electric current in response to an ac electric field – revealed the coexistence of cyclotron and magnetoplasmon resonances.
Furthermore, the emergence of terahertz-induced magnetooscillations coupled to the harmonics of the cyclotron resonance has been demonstrated in graphene with conventional contacts in Chap. 7. Analysis of their variation with carrier density and radiation frequency has revealed a common origin with the well-known microwaveinduced resistance oscillations observed in gallium arsenide heterostructures. It has been shown that, similar to the latter, their graphene analog is governed by the ratio of the incident radiation frequency to the quasiclassical cyclotron frequency. In this context, the theory of microwave-induced resistance oscillations has been adapted to the linear energy dispersion of graphene. The displacement mechanism based on the shift of the cyclotron resonance orbit center and the inelastic mechanism describing a radiation-induced variation of the distribution function have been considered. Importantly, the presented analysis has also revealed strong qualitative differences, namely that terahertz-induced magnetooscillations appear at much higher frequencies, well above 1 THz, and persist up to T = 90 K, which is attributed to a slower electron-electron scattering rate. However, the present study still lacks a clear assignment of the dominant mechanism in graphene and requires further investigation to identify its contributions. This necessitates more focused studies at low temperatures. The observation of the presented phenomena demonstrates that such high-quality graphene structures provide an excellent platform for
the exploration of novel effects and, furthermore, offer a valuable opportunity to gain a more profound understanding of the rich spectrum of radiation-induced phenomena in two-dimensional electron systems.
Cyclotron resonance absorption in gallium arsenide and mercury telluride quantum wells has revealed an anomalous insensitivity to the helicity of the incident terahertz radiation, as demonstrated in Chap. 8. In contrast to the investigated graphene structures, it has been observed that the amplitude of the photoresistance is almost the same for both the cyclotron resonance active and inactive magnetic field polarities at lowest temperatures and highest radiation powers. The amplitude ratio of the active and inactive sides of the cyclotron resonance has been shown to be strongly dependent on sample temperature and radiation power. This is in strong contrast to the simultaneously measured radiation transmittance, which has demonstrated an ordinary helicity dependence for all T and P. It has been proposed that this dependence is caused by nonlinear heating of the electron gas. This heating leads to saturation of the photoresistance with different saturation behaviors for the cyclotron resonance active and inactive polarities. However, even at the lowest powers, the value of the amplitude ratio remains much lower than predicted by the conventional Drude theory. This puzzling behavior may be resolved by assuming resonant absorption of the incident radiation via the occurrence of near-field effects in the vicinity of the two-dimensional electron system in the cyclotron resonance inactive regime. Furthermore, this may also explain the helicity insensitivity demonstrated for the observed microwave-induced resistance oscillations. The presented anomalies are indeed remarkable and of great importance for polarization-sensitive photoelectric studies in two-dimensional electron systems. As a perspective, it is worth mentioning that a more comprehensive understanding of the regular helicity sensitivity of microwave-induced resistance oscillations under certain conditions may provide an access to the solution of the long-standing immunity puzzle. An explanation of this behavior may further classify the origin of near-field sources and, more importantly, shed light on the appearance of cyclotron resonance inactive absorption.
Translation of the abstract (German)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Terahertz-induzierte optoelektronische Phänomene, die mit der Zyklotronresonanz und ihren Oberwellen gekoppelt sind, beobachtet und eingehend untersucht. Verschiedene Klassen zweidimensionaler Elektronensysteme, die durch lineare und parabolische Energiedispersionen gekennzeichnet sind, letztere mit invertierten und normalen Bandordnungen, dienten als ...
Translation of the abstract (German)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Terahertz-induzierte optoelektronische Phänomene, die mit der Zyklotronresonanz und ihren Oberwellen gekoppelt sind, beobachtet und eingehend untersucht. Verschiedene Klassen zweidimensionaler Elektronensysteme, die durch lineare und parabolische Energiedispersionen gekennzeichnet sind, letztere mit invertierten und normalen Bandordnungen, dienten als ergiebige Spielwiesen für die Beobachtung faszinierender Effekte, die durch Magnetophotowiderstand und Photospannung untersucht wurden. Die Studien umfassen gekapselte Strukturen auf Graphenbasis und Heterostrukturen aus Galliumarsenid und Quecksilbertellurid. Die beobachteten Phänomene wurden im semiklassischen Bereich untersucht, in dem die Photonenenergie deutlich unter der Fermi-Energie liegt. In Graphen-Strukturen von hervorragender Qualität wurden Bernstein-Moden nachgewiesen, die durch Nahfeld-verstärkte Magnetoabsorption ermöglicht werden. Außerdem wurden Terahertz-getriebene Magnetooszillationen beobachtet. Bei der Untersuchung letzterer in Galliumarsenid-Quantentöpfen wurde eine anomale Insensitivität der Zyklotronabsorption gegenüber der Helizität der Strahlung festgestellt. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zur Transmission der Strahlung, die der Drude-Theorie folgt.
Grundlegende Eigenschaften und Ansätze zur Beschreibung der Zyklotronresonanz in der Transmission und der entsprechenden Absorption wurden in Kap. 5 dargelegt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse und Diskussionen über die beobachteten Effekte wurden in den Kapiteln 6, 7 und 8 vorgestellt.
Terahertz-induzierte Bernstein-Moden, die sich als scharfe Photoantwort-Spitzen in der Nähe der Zyklotron-Resonanz-Oberwellen manifestieren, wurden beobachtet. Eine umfangreiche Studie, die in Kap. 6 beschrieben wird, hat ergeben, dass diese aus einer verstärkten Magnetoabsorption stammen, die durch Nahfeldeffekte in der Nähe von metallischen Kontakten verursacht wird, die teilweise in den Hallbar-Kanal hineinragen. Es wurde gezeigt, dass die entstehenden Bernstein-Moden eine flache Dispersion aufweisen, die zu einer divergenten plasmonischen Zustandsdichte führt. Dies wiederum verstärkt in Resonanz die Strahlungsabsorption, was zu einer starken Erwärmung des Elektronengases und folglich zu einer in Resonanz verstärkten Photoantwort führt. In Erweiterung dieser Überlegungen wurde eine starke Nahfeldkopplung, die durch metallische, ineinandergreifende Doppelkamm-Struktur vermittelt wird, in zweischichtigen Strukturen auf Graphenbasis ausgenutzt. Die Struktur führt zu einer verstärkten Nahfeldbeugung, die genutzt wurde, um eine noch stärkere Kopplung von Terahertz-Strahlung und Magnetoplasma-Anregungen zu erreichen. Die Ausnutzung der nichtlinearen Natur des Ratscheneffekts - die Erzeugung eines elektrischen Gleichstroms als Reaktion auf ein elektrisches Wechselfeld - hat die Koexistenz von Zyklotron- und Magnetoplasmonresonanzen offenbart.
Darüber hinaus wurde in Kap. 7 das Auftreten von Terahertz-induzierten Magnetooszillationen, die an die Harmonischen der Zyklotronresonanz gekoppelt sind, in Graphen mit herkömmlichen Kontakten nachgewiesen. Die Analyse ihrer Variation mit der Ladungsträgerdichte und der Strahlungsfrequenz hat einen gemeinsamen Ursprung mit den bekannten mikrowelleninduzierten Widerstandsoszillationen, die in Galliumarsenid-Heterostrukturen beobachtet wurden, ergeben. Es wurde gezeigt, dass ihr Graphen-Analogon ähnlich wie letztere vom Verhältnis der einfallenden Strahlungsfrequenz zur quasiklassischen Zyklotronfrequenz bestimmt wird. In diesem Zusammenhang wurde die Theorie der mikrowelleninduzierten Widerstandsschwingungen an die lineare Energiedispersion von Graphen angepasst. Der Verschiebungsmechanismus, der auf der Verschiebung des Zentrums der Zyklotronresonanzbahn beruht, und der inelastische Mechanismus, der eine strahlungsinduzierte Veränderung der Verteilungsfunktion beschreibt, wurden berücksichtigt. Wichtig ist, dass die vorgestellte Analyse auch starke qualitative Unterschiede aufgedeckt hat, nämlich dass Terahertz-induzierte Magnetooszillationen bei viel höheren Frequenzen, weit über 1 THz, auftreten und bis zu T = 90 K bestehen bleiben, was auf eine langsamere Elektron-Elektron-Streurate zurückzuführen ist. In der vorliegenden Studie fehlt jedoch noch eine eindeutige Zuordnung des dominanten Mechanismus in Graphen und es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um dessen Beiträge zu ermitteln. Dazu sind gezieltere Studien bei niedrigen Temperaturen erforderlich. Die Beobachtung der vorgestellten Phänomene zeigt, dass solche hochwertigen Graphenstrukturen eine hervorragende Plattform für die Erforschung neuartiger Effekte bieten und darüber hinaus eine wertvolle Gelegenheit eröffnen, das reichhaltige Spektrum der durch Strahlung induzierten Phänomene in zweidimensionalen Elektronensystemen besser zu verstehen.
Die Zyklotronresonanz-Absorption in Galliumarsenid- und Quecksilbertellurid-Quantentöpfen hat eine anomale Insensitivität gegenüber der Helizität der einfallenden Terahertz-Strahlung gezeigt, wie in Kap. 8 dargestellt. Im Gegensatz zu den untersuchten Graphen-Strukturen wurde beobachtet, dass die Amplitude des Magnetofotowiderstands sowohl für die aktive als auch für die inaktive Zyklotronresonanz-Magnetfeldpolarität bei niedrigsten Temperaturen und höchsten Strahlungsleistungen fast gleich ist. Das Amplitudenverhältnis der aktiven und inaktiven Seite der Zyklotronresonanz ist nachweislich stark von der Probentemperatur und der Strahlungsleistung abhängig. Dies steht in starkem Kontrast zur gleichzeitig gemessenen Strahlungstransmission, die eine gewöhnliche Helizitätsabhängigkeit für alle T und P gezeigt hat. Es wurde postuliert, dass diese Abhängigkeit durch nichtlineare Erwärmung des Elektronengases verursacht wird. Diese Erwärmung führt zu einer Sättigung des Fotowiderstands mit unterschiedlichem Sättigungsverhalten für die aktiven und inaktiven Polaritäten der Zyklotronresonanz. Allerdings bleibt der Wert des Amplitudenverhältnisses selbst bei den niedrigsten Leistungen viel niedriger als von der herkömmlichen Drude-Theorie vorhergesagt. Dieses rätselhafte Verhalten kann durch die Annahme einer resonanten Absorption der einfallenden Strahlung durch das Auftreten von Nahfeldeffekten in der Nähe des zweidimensionalen Elektronensystems im Bereich der inaktiven Zyklotronresonanz gelöst werden. Dies könnte auch die Helizitätsunempfindlichkeit erklären, die für die beobachteten mikrowelleninduzierten Widerstandsoszillationen nachgewiesen wurde. Die vorgestellten Anomalien sind in der Tat bemerkenswert und von großer Bedeutung für polarisationsempfindliche photoelektrische Studien in zweidimensionalen Elektronensystemen. Es ist erwähnenswert, dass ein umfassenderes Verständnis der regelmäßigen Helizitätsempfindlichkeit der mikrowelleninduzierten Widerstandsoszillationen unter bestimmten Bedingungen einen Zugang zur Lösung des langjährigen Immunitätsrätsels bieten könnte. Eine Erklärung dieses Verhaltens kann den Ursprung von Nahfeldquellen weiter klassifizieren und, was noch wichtiger ist, Licht auf das Auftreten von Zyklotronresonanz inaktiver Absorption werfen.
Metadata last modified: 15 Mar 2024 09:43
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