迴旋共振就是當半導體中的載流子在一定的恆定磁場和高頻電場同時作用下會發生抗磁共振的現象。迴旋共振被成功地用於研究晶態固體中電子的能帶結構。
基本介紹
- 中文名：迴旋共振
- 外文名：Cyclotron resonance
- 學科：固體物理學
理論基礎,套用,實驗,
理論基礎
質量為mc的荷電粒子在磁場B中的迴旋角頻率ωc為eB/m0，e為粒子所帶電荷。
若半導體置於磁感應強度為B的均勻恆定磁場中, 半導體中電子的初速度v與B的夾角為θ，則半導體中電子受到磁場作用的為f=－qv×B，大小為f = qvBsinθ= q v⊥B，v⊥= v sinθ，力的方向是垂直於v與B所組成的平面。從而, 電子的運動規律是：在磁場方向以速度 v’ = v cosθ作勻速運動, 在垂直於B的平面內作勻速圓周運動, 運動軌跡是一條螺旋線。如果圓周的半徑是r, 迴旋頻率是ωc，則 v⊥= r ωc，向心加速度a = v⊥2 / r；又能帶電子運動的加速度a = f / mn*；從而對於球面等能面情況有ωc = q B / mn* 。所以, 只要測量出迴旋頻率ωc, 就可以得到電子的有效質量mn* 。
套用
迴旋共振被成功地用於研究晶態固體中電子的能帶結構。晶體中電子的運動狀態可由其波矢k來表征。所謂能帶結構是指電子能量E對波矢k的依賴關係(簡稱E-k關係)。在理想晶體中，電子的運動和自由電子相似，但電子的質量m0被有效質量m所代替。由迴旋共振實驗可直接確定有效質量，有效質量和E-k關係之間存在密切聯繫。在實際晶體中，電子在運動中要經受由各種晶格不完整性所引起的碰撞。
為能產生共振吸收，要求在兩次碰撞之間的自由時間τ內，完成一次以上迴旋，這要求有較強的磁場和較長的τ值(要求晶體中有儘可能少的雜質和各種晶格缺陷，並要求實驗在低溫下進行，以減小晶格散射的作用)。在100kG的強磁場下，ωc約為1.7×10(m0/m)。
實驗
迴旋共振實驗首先被成功地套用於半導體Ge和Si，得到了重要的能帶結構知識和有關能帶參數，在N型Ge和N型Si中的實驗表明，可以存在若干個吸收峰，這些吸收峰的位置依賴於磁場的取向，並表明這些材料的導帶具有若干等價的能量極值，在這些能量極值附近，有效質量是各向異性的。
附圖給出了關於N型Ge的一組實驗結果，它與<111>型多谷模型相一致.而在P型Ge和P型Si中的實驗則表明存在重空穴帶和輕空穴帶.對於有些半導體，如InSb，在很強的磁場下，實驗可在紅外光頻範圍內進行，稱為紅外迴旋共振。
在金屬中，把迴旋共振同測量Fermi面的其它實驗，如De Haas-varn Alphen效應的研究結合起來，有可能得到關於金屬能帶結構的相當完全的知識。這種技術曾相當成功地套用於銅的研究。
在金屬中，高的載流子密度使電磁波在金屬的表膚層被吸收，電磁波的貫穿距離小於電子迴旋運動的軌道半徑，這要求在實驗方法上作適當改變。
