再论空穴和霍尔效应

笔者曾谈论过空穴和霍尔效应问题[1],试图回答,在本质上都是电子移动的情况下, 为什么自由电子导电 (n 型半导体)和空穴导电 (p 型半导体)会出现相反方向的霍尔电压.笔者想用更通俗的方式再论述一下此问题.     

InSb薄膜的霍尔效应测量

霍尔系数和电阻率随温度变化的测量是近代物理的基本实验之一．通过测量可判断半导体材料的类型，并得到材料的一些重要参数，例如载流子浓度和运尔迁移率等等．在一般的教学实验中常用单晶锗或硅作为样品．随着半导体技术的发展，用外延工艺研制的单晶薄膜材料已成为一种重要的半导体材料．我们得到了几块用这种工艺生长的N型Insb（锑化铝）薄膜材料，测量了它们的合尔系数和电阻率，并求出其载流于浓度和霍尔迁移率．可以看出这种材料的霍尔迁移率比硅和锗材料要大得多．实验中发现个别薄膜材料在低温时的电子霍尔迁移率低于常温时的值，…     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

霍尔效应与汽车上的霍尔器件

在国产桑塔纳、奥迪、红旗、捷达等轿车电路上经常可以看到"霍尔"(Hall)这个名称,如霍尔式电子点火系统中就有一只霍尔传感器,专门给发动机电控单元(ECU)提供电压信号.     

异常霍尔效应和自旋霍尔效应

异常霍尔效应和自旋霍尔效应是在常规霍尔效应的基础上引发出的2种新现象.本文介绍了这2种现象及其原理和潜在的应用.     

霍尔效应实验的智能化

利用单片系统控制霍尔效应实验过程，智能化地验证霍尔效应理论、测量给定元件的霍尔灵敏度，并且通过磁场的变化模拟了实际的控制系统，从而使学生对霍尔效应的理论、实验及应用有了充分的认识。     

霍尔效应的发现

介绍了霍尔的生平,回顾了霍尔在导师罗兰的指导下,发现霍尔效应的历程;分析了罗兰和霍尔在这一研究中发挥的重要作用,以及霍尔在研究工作中的严谨作风和顽强毅力.     

磁子霍尔效应

霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域,其起源可以追溯到数百年前. 1879年,霍尔发现将载流导体置于磁场中时,磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累,这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应.之后,一系列新的霍尔效应被发现,包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等.值得注意的是,霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化,因此在信息传输过程中扮演着重要的角色.在玻色子体系(如磁子)中,相应的一系列磁子霍尔效应也被发现,他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展.本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应,简述其现代半经典的处理方法,包括虚拟电磁场理论和散射理论等.并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源,概述了不同类型磁子的霍尔效应.最后,对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.     

霍尔效应误差分析及霍尔应用

霍尔效应是研究半导体性质的重要手段,但霍尔电压的测量受到多种副效应的影响。通过分析误差来源加实验论证来探索对称测量法的优势,并且发现除四种常见热磁效应以外,仍存在附加电压。经过一些研究,提供了一些减小误差的方案。考虑到大学物理实验中没有设计霍尔效应的生活应用,本文简单介绍了霍尔开关原理及应用,希望通过本文对教学改革有进一步的推进作用。     

利用导电橡胶改进薄膜霍尔效应实验装置

介绍了利用导电橡胶对薄膜霍尔效应装置的改进方案及对新装置的性能测试结果.初步证实了将导电橡胶应用于薄膜霍尔效应测量装置时,具有电流线平行、不损伤薄膜、装片方便、接触电阻低、接触稳定等优点.     

自制霍尔效应演示仪

利用霍尔效应原理制作了霍尔效应演示仪,详细介绍了该演示仪的制作过程,定性地演示了霍尔电压与通电电流和磁感应强度的关系.     

光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

霍尔效应中的空穴

霍尔效应(Hall effect)可以用来测定金属和半导体中的载流子符号.霍尔系数定义为RH=Ey/jxH其中Ey,jx,H分别为电场、电流密度和磁场(图1).如果RH＜0,那就意味着Ey沿着-y方向,载流子的符号为负(即电子);如果RH＞0,那就意味着Ey沿着y方向,载流子的符号为正,称之为空穴(holes).     

量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程

回顾了霍尔效应、量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程.着重叙述了1985年、1998年获得诺贝尔物理学奖的量子霍尔效应研究成果,以及在我国实验室首次观测到量子反常霍尔效应的重大成就.     

关于霍尔效应实验的误差分析

霍尔效应实验是一个受系统误差影响较大的实验,特别是在霍尔效应产生的同时,伴随产生的其他效应引起的附加电场对实验影响较大.本文简单介绍该实验的原理和实验误差的来源,使用Origin 6.0软件处理实验数据,分析附加电场对霍尔电压和电流线性关系的影响,以及对霍尔系数测量值的影响.结果表明:附加电场的存在不会影响所测霍尔电压和电流U-Is的线性关系,但对霍尔系数的测量有较大影响.     

反常霍尔效应理论的研究进展

文章介绍了在铁磁性材料中反常霍尔效应的发现及其机制研究的历史;阐述了反常霍尔效应理论研究最近取得的重大进展,即倒空间中布洛赫态的贝里曲率(规范场)特性决定了霍尔电导率;同时指出,建立系统地解释反常霍尔效应机制的理论仍然是一个挑战性的任务.     

反常霍尔效应理论的研究进展

文章介绍了在铁磁性材料中反常霍尔效应的发现及其机制研究的历史；阐述了反常霍尔效应理论研究最近取得的重大进展，即倒空间中布洛赫态的贝里曲率（规范场）特性决定了霍尔电导率；同时指出，建立系统地解释反常霍尔效应机制的理论仍然是一个挑战性的任务．     

霍尔效应实验及数据处理

本文介绍了霍尔效应实验方法，系统地研究了数据处理的方法，即平均值法、作图法、直线拟合法，并比较这三种方法的异同。