12、宽渐变势阱：探索电子气体新领域

宽渐变势阱：探索电子气体新领域

在半导体物理的研究中，宽渐变势阱为我们研究高质量电子气体提供了新的途径，尤其是在二维到三维电子系统的过渡以及相关物理现象的研究方面，展现出了独特的优势。

1. 二维到三维电子系统的过渡

由薄势垒层分隔的二维电子层堆叠结构，处于二维系统和三维系统之间的中间状态。当二维电子层之间的势垒层又宽又高时，二维层将独立运行；而当势垒变低或变薄时，电子在层间的隧穿变得更加自由，系统逐渐趋近于具有三个运动自由度的三维电子气。在从二维向三维的转变过程中，电子的电导率和磁导率会发生根本性变化。例如，电子片电阻中的舒布尼科夫 - 德哈斯振荡，会从仅由磁场垂直分量决定振荡的情况，转变为整个磁场决定周期的情况。同样，量子霍尔效应也会发生深刻变化，最终在二维到三维的转变中消失。

2. 抛物阱中的超晶格优势

抛物阱叠加超晶格势具有显著优势，它能够可控地改变电子能级和密度分布，与简单抛物阱情况不同。通过调整势垒的高度、宽度以及超晶格的周期，可以调节阱中电子层之间的相互作用。层间耦合会深刻改变导致霍尔效应分数量子化的电子 - 电子相互作用，而且这种耦合可以通过面内磁场进行调节，特别是在磁长度与超晶格周期相当或更小时。

3. 制造难题与宽抛物阱的解决方案

此前，制造能展现二维到三维转变的二维层和势垒阵列存在问题，主要是杂质对电子的强烈散射。为了让电子占据阱，要么在阱中掺杂原子，要么在靠近阱的势垒中掺杂。但无论哪种方式，电离杂质的库仑散射都会严重限制电子迁移率。而将掺杂原子放置在离耦合阱更远的位置也不可行，因为掺杂离子和传导电子的广泛分离会导致能带弯曲，使远离掺杂剂的阱中电子耗尽，靠近掺杂剂的阱中电子积累。