Hochfrequenzuntersuchungen an zweidimensionalen Elektronensystemen auf dünnen Heliumfilmen
Hochfrequenzuntersuchungen an zweidimensionalen Elektronensystemen auf dünnen Heliumfilmen
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Date
2006
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Würl, Andreas
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Title in another language
Microwave measurements of two-dimensional electron systems on thin helium-films
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Dissertation
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Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweidimensionale Elektronensysteme (2DES) mit hoher Elektronendichte auf dünnen Heliumfilmen erzeugt und deren Beweglichkeit mit Hilfe einer indirekten Transportmessung in einem Mikrowellen-Hohlraumresonator bestimmt.
Als Alternative zur bisher verwendete Messmethode durch einen LockIn-gesteuerten Regelkreis wurde eine neue Messmethode unter Verwendung eines Netzwerkanalysators mit direkter Detektion der Resonanzlinienparameter entwickelt. Damit lassen sich zu jedem Zeitpunkt alle Parameter der Resonanzlinie bestimmen was Artefakte im Vergleich zur alleinigen Bestimmung des Resonanzmaximums ausschließt.
Um das Phasendiagramm des 2DES bei hohen Elektronendichten zu untersuchen, wurde die Elektronendichte im 2DES schrittweise und reproduzierbar erhöht. Hierbei wurden auf Silizium-Substraten mit oxidierter Oberfläche eine Dichte von mehr als 10^15 Elektronen pro Quadratmeter erreicht. Für den im Bereich sehr hoher Elektronendichten vorhergesagte Übergang vom Wigner-Elektronenkristall zum entarteten Fermi-Gas Dichten konnten Anzeichen ausgemacht werden.
Es wurde nachgewiesen, dass die Genauigkeit und das erreichte Signal-Rausch-Verhältnis für die neue Messmethoden im Rahmen der erreichbaren Messbedingungen mit der bisherigen vergleichbar ist und im Prinzip nur durch das von der Umgebung im Messsystem verursachten Rauschen abhängt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das von Valeri Shikin entwickelte Zweikomponentenmodell für Elektronen auf dünnen Heliumfilmen auf experimentelle Ergebnisse der Messung der Zyklotronresonanz an 2DES angewendet. Dieses Modell macht eine indirekte Bestimmung der Oberflächenparameter des Substrats im Experiment möglich.
Die Magnetfeldabhängigkeit der Resonatorsignale von vorhandene Messdaten von G. Mistura und auch die eigens aufgenommener Messdaten konnten mit diesem Modell sehr gut beschrieben werden. Die aus dem Modell erhaltenen Daten können in beschreibende Parameter eines Modellsubstrats umgerechnet werden, die wiederum als wichtige Grundlage bei der entscheidenden Optimierung der Qualität der Substratoberfläche dienen kann.
Als Alternative zur bisher verwendete Messmethode durch einen LockIn-gesteuerten Regelkreis wurde eine neue Messmethode unter Verwendung eines Netzwerkanalysators mit direkter Detektion der Resonanzlinienparameter entwickelt. Damit lassen sich zu jedem Zeitpunkt alle Parameter der Resonanzlinie bestimmen was Artefakte im Vergleich zur alleinigen Bestimmung des Resonanzmaximums ausschließt.
Um das Phasendiagramm des 2DES bei hohen Elektronendichten zu untersuchen, wurde die Elektronendichte im 2DES schrittweise und reproduzierbar erhöht. Hierbei wurden auf Silizium-Substraten mit oxidierter Oberfläche eine Dichte von mehr als 10^15 Elektronen pro Quadratmeter erreicht. Für den im Bereich sehr hoher Elektronendichten vorhergesagte Übergang vom Wigner-Elektronenkristall zum entarteten Fermi-Gas Dichten konnten Anzeichen ausgemacht werden.
Es wurde nachgewiesen, dass die Genauigkeit und das erreichte Signal-Rausch-Verhältnis für die neue Messmethoden im Rahmen der erreichbaren Messbedingungen mit der bisherigen vergleichbar ist und im Prinzip nur durch das von der Umgebung im Messsystem verursachten Rauschen abhängt.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das von Valeri Shikin entwickelte Zweikomponentenmodell für Elektronen auf dünnen Heliumfilmen auf experimentelle Ergebnisse der Messung der Zyklotronresonanz an 2DES angewendet. Dieses Modell macht eine indirekte Bestimmung der Oberflächenparameter des Substrats im Experiment möglich.
Die Magnetfeldabhängigkeit der Resonatorsignale von vorhandene Messdaten von G. Mistura und auch die eigens aufgenommener Messdaten konnten mit diesem Modell sehr gut beschrieben werden. Die aus dem Modell erhaltenen Daten können in beschreibende Parameter eines Modellsubstrats umgerechnet werden, die wiederum als wichtige Grundlage bei der entscheidenden Optimierung der Qualität der Substratoberfläche dienen kann.
Summary in another language
In this work two-dimensional electron systems (2DES) with high electron densities were created on thin helium films. The mobility of the electrons in the 2DES was determined with the help of an indirect transport measurement in a microwave cavity.
As an alternative to the so far used measuring method by a LockIn-controlled automatic control loop a new measuring method using a network analyzer with direct detection of the resonance line parameters was established. Thus all parameters of the resonance line can be determined directly to avoid artifacts in the measured signals.
In order to examine the phase diagram of the 2DES at high electron densities, the electron density in the 2DES was increased gradually in the experiment to ensure reproducibly. On silicon substrates with oxidized surface layer a density of more than 10^15 electrons per square meter was reached. At these high densities, signs for the transition from the Wigner electron crystal to the degenerate fermi gas could be constituted.
It was shown that the accuracy and the signal-to-noise ratio for the new measuring method are comparable with the formerly used setup and that the noise in the acquired data is mainly caused by the environment of the measuring system.
In the second part of the work the two-component model for electrons, developed by Valeri Shikin, was applied to experimental results of the measurement of the cyclotron resonance of the 2DES. This model allows to perform an indirect determination of the roughness parameters of the substrate.
The magnetic field dependence of the microwave resonator behaviour on existing measuring and acquired measurements could be very well described with this model. The results received from the model can be used to estimate roughness parameters of the substrate and thus it is very helpful as an independent measure in optimizing the quality of the substrate surface.
As an alternative to the so far used measuring method by a LockIn-controlled automatic control loop a new measuring method using a network analyzer with direct detection of the resonance line parameters was established. Thus all parameters of the resonance line can be determined directly to avoid artifacts in the measured signals.
In order to examine the phase diagram of the 2DES at high electron densities, the electron density in the 2DES was increased gradually in the experiment to ensure reproducibly. On silicon substrates with oxidized surface layer a density of more than 10^15 electrons per square meter was reached. At these high densities, signs for the transition from the Wigner electron crystal to the degenerate fermi gas could be constituted.
It was shown that the accuracy and the signal-to-noise ratio for the new measuring method are comparable with the formerly used setup and that the noise in the acquired data is mainly caused by the environment of the measuring system.
In the second part of the work the two-component model for electrons, developed by Valeri Shikin, was applied to experimental results of the measurement of the cyclotron resonance of the 2DES. This model allows to perform an indirect determination of the roughness parameters of the substrate.
The magnetic field dependence of the microwave resonator behaviour on existing measuring and acquired measurements could be very well described with this model. The results received from the model can be used to estimate roughness parameters of the substrate and thus it is very helpful as an independent measure in optimizing the quality of the substrate surface.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
2DES auf dünnen Heliumfilmen,Phasendiagramm,2DES on thin helium films,phase diagram
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Review
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Cite This
ISO 690
WÜRL, Andreas, 2006. Hochfrequenzuntersuchungen an zweidimensionalen Elektronensystemen auf dünnen Heliumfilmen [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Examination date of dissertation
July 24, 2006