電気的に検出される磁気共鳴

電気的に検出される磁気共鳴（EDMR）は、電子スピン共鳴を改良した材料特性評価技術です。特定のマイクロ波周波数を試料に照射した際の電気抵抗の変化を測定します。半導体中の極めて微量（数百原子程度）の不純物を特定するために使用できます。

技術の概要

EDMR機構のバンド構造（エネルギーレベル）の概略図。ドナー不純物（P）は伝導帯（C）のすぐ下に位置する。アクセプター（R）はドナーと価電子帯の間に位置し、ドナー電子（小さな青い円）が価電子帯（V）の正孔と再結合するための再結合経路を提供する。特定の周波数の光子（γ）は、磁場に逆らってスピンを反転させることができる（B）。

パルスEDMR実験^[1]を行うには、まずシステムを磁場中に配置して初期化します。これにより、ドナーとアクセプターを占有する電子のスピンが磁場の方向に向きます。ドナーを調べるために、ドナーの共鳴周波数でマイクロ波パルス（図の「γ」）を印加します。これにより、ドナー上の電子のスピンが反転します。すると、ドナー電子はアクセプターのエネルギー状態（パウリの排他原理により、反転前はそうなることが禁じられていました）に崩壊し、そこから価電子帯へ移動して正孔と再結合します。再結合が増えると、伝導帯の伝導電子が減少し、それに応じて抵抗が増加します。この抵抗は直接測定できます。伝導帯に多くの電子が存在するようにするために、実験全体を通してバンドギャップを超える光が用いられます。

マイクロ波パルスの周波数を走査することで、共鳴する周波数を見つけることができ、磁場の強度とゼーマン効果の知識があれば、共鳴周波数からドナーのエネルギー準位を特定することができます。ドナーのエネルギー準位は「指紋」のような役割を果たし、ドナーとその局所的な電子環境を特定することができます。周波数をわずかに変化させることで、代わりにアクセプターを調べることができます。

最近の動向

EDMRは量子ドットからの単一電子で実証されている。^[2] 100個未満のドナーの測定^[3]とそのような測定の理論的解析^[4]が発表されており、Pb界面欠陥がアクセプターとして作用することに依存し_て いる。

参考文献

1. Boehme, C.; Lips, K. (2003). 「パルス電気検出磁気共鳴法によるスピン依存再結合の時間領域測定の理論」. Physical Review B. 68 ( 24) 245105. Bibcode :2003PhRvB..68x5105B. doi :10.1103/PhysRevB.68.245105.
2. Elzerman, J.; Hanson, R.; Willems Van Beveren, L.; Witkamp, B.; Vandersypen, L.; Kouwenhoven, L. (2004). 「量子ドットにおける個々の電子スピンのシングルショット読み出し」. Nature . 430 (6998): 431– 435. arXiv : cond-mat/0411232 . Bibcode :2004Natur.430..431E. doi :10.1038/nature02693. PMID :  15269762. S2CID  : 4374126.
3. McCamey, DR; Huebl, H.; Brandt, MS; Hutchison, WD; McCallum, JC; Clark, RG; Hamilton, AR (2006). 「イオン注入Si:Pナノ構造における電気的に検出された磁気共鳴」. Applied Physics Letters . 89 (18): 182115. arXiv : cond-mat/0605516 . Bibcode :2006ApPhL..89r2115M. doi :10.1063/1.2358928. S2CID  119457562.
4. Hoehne, F.; Huebl, H.; Galler, B.; Stutzmann, M.; Brandt, MS (2010). 「パルス電気検出電子二重共鳴法によるシリコンおよびSi/SiO_{2}界面状態におけるリンドナー間のスピン依存再結合の調査」. Physical Review Letters . 104 (4) 046402. arXiv : 0908.3612 . Bibcode :2010PhRvL.104d6402H. doi :10.1103/PhysRevLett.104.046402. PMID :  20366723. S2CID  : 35850625.