Циклотронна маса
Циклотронна маса — узагальнена маса (спільна для всього твердого тіла) носіїв струму при їх русі в магнітному полі. В загальному випадку ця маса не збігається з ефективною масою носіїв, оскільки поверхня Фермі може бути анізотропною, а ефективна маса є тензором. Циклотронну масу вимірюють за допомогою методу циклотронного резонансу або магнітотранспортних методів (ефект Шубникова — де Гааза). Знання циклотронної маси інколи допомагає визначити форму поверхні Фермі в твердому тілі.
Тривимірний випадок[1]
Поверхня Фермі тривимірного кристала, наприклад кремнію, котрий є непрямозонним напівпровідником, складається з шести еліпсоїдів обертання в k-просторі. Розглянемо переріз поверхні Фермі площиною XZ такий, що в цій площині будуть знаходитися 4 витягнуті еліпси з центрами розташованими на осях на віддалі . Нехай вектор магнітного поля лежить в цій площині та створює кут з віссю Z. Анізотропний закон дисперсії для електронів має вигляд:
де введені дві різні ефективні маси , , які називаються відповідно повздовжною та поперечною ефективними масами. Рівняння руху частки (другий закон Ньютона) із зарядом «-e» в магнітному полі при відсутності затухання
де — хвильовий вектор, а швидкість частки визначається виразом:
Тепер розглянемо покомпонентно закон руху:
Нас буде цікавити тільки розв'язки виду:
Цей розв'язок існує при певній частоті, котра називається циклотронною, котра залежить від кута:
Тут можна визначити циклотронну масу як
Видно, що при , то , а якщо : .
Загальний випадок тривимірного простору[2]
В загальному випадку[3] для довільної поверхні Фермі, наприклад в металах поверхня Фермі може приймати складну форму і тому необхідно використовувати наступну формулу для циклотронної частоти
та циклотронної маси:
- (1)
де — площа перетину поверхні Фермі площиною , де — проєкція хвильового вектора електрону на напрямок магнітного поля, — енергія електрону.
Випадок параболічної зони[2]
Для найпростішої ізотропної параболічної зони енергію та площу перетину можна представити у вигляді наступних функцій :
- ,
- ,
де - величина компоненти хвильового вектора, що перпендикулярна магнітному полю, - ефективна маса. В цьому випадку похідна площини від енергії буде мати найпростіший вигляд :
- .
Підставляючи отримані значення для похідної в формулу для циклотронної маси, знаходимо:
- .
Таким чином, у випадку простої ізотропної параболічної зони ми будемо мати тотожність фізичних величин — «циклотронної маси» та «ефективної маси». Дана обставина і дозволяє в більшості випадків вимірювати ефективну масу носіїв у твердому тілі.
Циклотронна маса графену[4]
Двовимірний закон дисперсії графену поблизу точок Дірака задається рівнянням
де — енергія збудження, — швидкість Фермі, — абсолютна величина двовимірного хвильового вектора.
Розглянемо легований графен зі щільністю носіїв на одиницю площі, , при досить низькій температурі так, що електрони утворюють вироджене Фермі море. Тоді можна визначити «поверхню Фермі» (2D лінія — коло ). Після врахування спінових і долинних вироджень, відповідний хвильовий вектор Фермі дорівнює
.
Тепер можна визначити «ефективну масу» звичайним способом (імпульс поділений на швидкість):
.
Для того, щоб визначити циклотронну масу, у квазікласичному наближенні можна використати рівняння (1), в яке слід підставити, , площу - простору, що оточена орбітою енергії ε
,
звідки знаходимо, що .
Енергетичний спектр 2D електронних систем у магнітному полі B, нормального до площини, є послідовність дискретних рівній Ландау. Використовуючи квазікласичне наближення квантування площі орбіти в оберненому просторі (квантування Бора-Зомерфельда),
,
ми знайдемо рівні Ландау в графені
. (2)
Якщо при переписати рівняння (2), як , то формула для «циклотронної частоти» має вигляд:
,
де - магнітне поле, що відповідає -му рівню Ландау, що збігатися з рівнем Фермі.
Циклотронна швидкість[джерело?]
В загальному випадку циклотрона швидкість записується в наступному вигляді:
- ,
де у випадку традиційних тривимірних напівпровідників циклотронний радіус та маса визначаються як:
- , ,
а у випадку двовимірного графена:
- , ,
де - магнітна довжина. Таким чином, в звичайному тривимірному напівпровіднику, в якому виконується умова постійної ефективної маси, ми будемо мати змінне значення для циклотронної швидкості (наприклад, в КЕХ):
- .
Інша справа — двовимірний графен. Оскільки ефективна маса його носіїв змінюється, то його циклотрона швидкість завжди постійна:
Використавши це, ми можемо через неї визначити і циклотронну частоту:
та циклотронну масу:
- .
Таким чином, за межами розгляду елементів зонної структури та циклотронної маси, лишилась постійна швидкість . Звідки вона взялася, і який її масштаб?
Експериментальне обґрунтування постійності циклотронної швидкості в графені
Найточніше значення постійної швидкості носіїв струму в графені було знайдено Діаконом та інш. в експериментах по відгуку фотопровідності на взірцях графена з декількома рівнями Ландау[5].
Це експериментальне значення швидкості для різних рівней Ландау знаходилося в діапазоні значень:
- .
Не важко помітити, що посередині цього діапазону знаходиться єдина фізична величина швидкості, яка називається борівською, оскільки визначає швидкість циклічного руху електрону на першій борівській орбіті атома Бора:
- .
На сьогодні рівність цих швидкостей
виконується з точністю до двох процентів:
- .
Безумовно надалі точність зросте, проте на скільки, поки що не відомо.
Див. також
- Циклотронний резонанс
Примітки
- Hook J. R. pp. 158—159.
- А.А. Абрикосов (2010). Основы теории металлов. Москва: ФИЗМАТЛИТ. с. 87. ISBN 978-5-9221-1097-6.
- Hook J. R. p. 375.
- Eva Y Andrei, Guohong Li and Xu Du, Electronic properties of graphene: a perspective from scanning tunneling microscopy and magnetotransport. Rep. Prog. Phys. 75 (2012) 056501 (47pp) arXiv:1204.4532 [cond-mat.mes-hall]
- R.S. Deacon, K-C. Chuang, R. J. Nicholas, K.S. Novoselov, and A.K. Geim. «Cyclotron Resonance study of the electron and hole velocity in graphene monolayers». arXiv:0704.0410v3
Література
Hook J. R., Hall H. E. Solid State Physics. — 2-nd ed. — Chichester : John Wiley & Sons, 1997. — С. 158-159. — ISBN 0-471-92805-4.
Ридли Б. Квантовые процессы в полупроводниках. — Москва : Мир, 1986. — С. 63-64. — ISBN УДК 537.33+535.2.
Посилання
- Физическая энциклопедия, т.5 — М.:Большая Российская Энциклопедия стр.429