Dissertations / Theses on the topic 'Magnetoplasma'

L'objectif de cette these est de mieux comprendre les phenomenes physiques et chimiques se produisant dans un plasma de haute densite concu pour la gravure sous-micrometrique de couches minces. Le plasma est produit dans le chlore par une onde electromagnetique de surface et peut etre confine par un champ magnetique statique uniforme. La flexibilite du reacteur en termes de conditions operatoires rend possible une etude parametrique de l'influence du confinement magnetique sur les caracteristiques du plasma. Pour cela, nous avons examine les proprietes du plasma au moyen de plusieurs methodes de diagnostics comme les sondes electrostatiques, le photodetachement des ions negatifs par laser, la propagation d'ondes acoustiques ioniques et la spectroscopie d'emission optique. Dans un premier temps, nous nous sommes interesses a l'influence des conditions operatoires sur les proprietes spatiales du plasma, en ce qui a trait aux caracteristiques electriques (electrons, ions positifs et negatifs) et chimiques (neutres reactifs). Dans un deuxieme temps, nous avons examine l'impact du rapport d'aspect du reacteur (i. E. Rapport de la longueur du reacteur sur son rayon) tant sur les caracteristiques electriques que chimiques du plasma. Parallelement a ces etudes experimentales, nous avons developpe un modele fluide bidimensionnel, resolvant de maniere auto coherente les deux premiers moments de l'equation de boltzmann et l'equation de poisson. En utilisant une approche semi-implicite, nous avons pu conserver un temps de calcul assez faible et ainsi utiliser ce modele pour l'etude d'un plasma de diffusion dans un gaz electropositif. Nous avons ainsi pu estimer la valeur du coefficient de diffusion perpendiculaire dans le cas d'un gaz electropositif soumis a un champ magnetique axial uniforme. Les resultats obtenus sont qualitativement en bon accord avec le coefficient de diffusion propose par liebermann et lichtenberg.

Thesis (Degree of Aeronautical & Astronautical Engineer and M.S. in Astronautical Engineering) Naval Postgraduate School, June 1997.
Thesis advisors, Oscar Biblarz, Christopher L. Frenzen. Includes bibliographical references (p. 103-107). Also available online.

Observation supposee effectuee en un point fixe de l'espace. Cette observation consiste en la mesure simultanee d'au moins trois composantes du champ electromagnetique. Discussion des estimateurs du degre de polarisation proposes par samson. Simulation numerique. Identification experimentale des modes d'une onde multiple en propagation dans ce magnetoplasma (ou deux modes peuvent coexister), obtenue a partir des caracteristiques de polarisation des ondes. Application aux emissions tres basse frequence observees par satellite aureol-3

O presente trabalho encontra-se dividido nas seguintes etapas: primeiramente são expostas algumas limitações presentes nas equações dinâmicas dos plasmas não-colisionais. A seguir obtem-se, de maneira heurística, algumas correções elementares às teorias lineares, correções estas que conduzem diretamente as assim chamadas quase-lienares em suas formas não relavística e relavística. Examina-se então o efeito da variação relativística da girofrequência sobre o coeficiente de difusão, numa aproximação tipicamente perturbativa.
The present work is divided in the following parts: firstly some limitations which are present in the dynamical equations for collisionless plasmas are discussed. Then we obtain, in a heuristic form, some elementary corrections to the linear theories, which directly lead to the so-called quasi-linear theories in its non-relativistic and relativistic forms. The effect of the relativistic variation of the gyrofrequency on the diffusion coefficient is examined in a typically perturbative approximation.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-03-21T17:23:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_MetodoDiferencasFinitas.pdf: 3779369 bytes, checksum: 428516d3d9e3d5e445fa15ec4b27cb81 (MD5)
Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-03-22T18:23:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_MetodoDiferencasFinitas.pdf: 3779369 bytes, checksum: 428516d3d9e3d5e445fa15ec4b27cb81 (MD5)
Made available in DSpace on 2018-03-22T18:23:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_MetodoDiferencasFinitas.pdf: 3779369 bytes, checksum: 428516d3d9e3d5e445fa15ec4b27cb81 (MD5) Previous issue date: 1996-02-09
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
A formulação para diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD), aplicada a plasma magnetizado segundo direção arbitrária, é desenvolvida para aplicação em dispositivos dielétricos em duas (2D-FDTD) e três dimensões (3D-FDTD). A ênfase é dada no processo de cálculo iterativo da convolução entre o campo elétrico e o tensor susceptibilidade elétrica do plasma magnetizado. Também, são propostos diversos tipos de dispositivos para propagação de sinais na banda milimétrica. O método é aplicado a estruturas controladas por plasma. Este plasma pode ser induzido por um feixe áptico sobre uma película semicondutora, depositada sobre o guia. Neste caso, as características de propagação do guia são controladas por um feixe áptico com energia apropriada. Esse plasma também pode ser estabelecido em semicondutor por dopagem. Neste tipo de dispositivo, o núcleo do guia é totalmente preenchido com plasma. Nesta opção, a propagação dos campos de RF é controlada por um campo magnetostático. Alguns dispositivos com guias singelos e acoplados são analisados. Observa-se então a possibilidade de controle efetivo de fase e acoplamento, assim como o controle na faixa de operação de modo único, notadamente nos guias opticamente controlados. Devido à carência de dados na literatura especializada, são estabelecidos critérios para discretização graduada e rigorismo nos testes de convergências propostos. Diversos tipos de dados são utilizados para essa finalidade. Obtém-se, então, uma espécie de perfil de discretização, o qual é aplicado aos demais dispositivos.
A finite-difference in the time domain (FDTD) formulation is developed for plasmas magnetized along an arbitrary direction and applicable to two dimensions (2D-FDTD) and to three dimensions (3D-FDTD) dielectric devices. Emphasis is given to the iterative calculation of the convolution between the electric field vector and the electric susceptibility tensor of the magnetized plasma. Various types of devices are also proposed for the propagation of signals in the millimeter-wave band. The method is applied to structures controlled by plasma. This plasma may be induced by an optical beam applied to a semiconductor layer deposited on the waveguide. In this case, the propagation characteristic of the waveguide is controlled by an optical beam with appropiate energy. This plasma may also also be introduced in the semiconductor by means of doping. For these devices the waveguide core is completely filled with plasma. With this option the propagation of the RF fields is controlled by a static magnetic field. Some devices with single and coupled waveguides are analyzed. The possibility of an effective control of phase and coupling, as well as the operating bandwidth with a single mode was examined, particularly with optically controlled waveguides. Due to the lack of data in the specialized literature, gradual discretization criteria and rigorous tests of convergence are proposed. Various types of data are used to accomplish this objective. As a result, a kind of discretization profile is obtained and is applied to the remaining devices.

Utilisation de la structure spatiale des champs d'ondes rayonnes dans les magnetoplasmas chauds pour determiner certains parametres du plasma: vitesse de derive transversale au champ magnetique statique dans les plasmas spatiaux, temperature electronique pour les plasmas spatiaux et de laboratoire. Les ondes emises aux frequences de resonance f::(qn) des modes de bernstein peuvent accompagner le satellite emetteur, dans ce cas un examen de la reponse en frequence du plasma permet d'estimer la vitesse de derive du plasma; les proprietes de directivite des signaux recus permettent de distinguer les cas d'accompagnement

Nous avons étudiés des fils quantiques dopés de semi-conducteurs gravés par spectroscopie de diffusion Raman. Nous avons observés les excitations du gaz d'électrons. Celles-ci présentent des règles de sélection différentes de celles établies pour les systèmes bi-dimensionnels. Nous avons montré théoriquement qu'elles proviennent de la modification de la structure du champ électromagnétique local provoquée par la géométrie particulière des fils gravés. Pour cela nous avons dû calculer le champ local et l'introduire dans la section efficace de diffusion Raman pour en déduire les règles de sélection de toutes les excitations. Cela a permis de déterminer sans équivoque la nature des excitations qui sont des plasmons. Aucune excitations à une particule ni fluctuations de densité de spin n'a été observées. Nous avons étudié l'évolution continue des dispersions de ces plasmons lorsque la largeur du fil est réduite de 1 micromètre à 30 nm. Jusqu'à 60 nm, celles-ci sont en très bon accord avec les résultats d'un modèle hydrodynamique. Au dessous de 60 nm, la comparaison avec un modèle RPA s'impose. Le plasmon intra-bande dispersif est observé jusqu'à 45 nm, largeur en dessous de laquelle les spectres Raman sont dominés par des excitations localisées qui nécessitent une analyse ultérieure pour en déterminer clairement leur nature. Nous montrons à l'aide du modèle RPA que nous avons atteint la limite quantique pour un fil de largeur 55 nm. Une gamme étroite de fils dont les largeurs sont comprises entre 55 nm à 45 nm permet donc l'étude de gaz strictement unidimensionnel.
Nous avons cherché à déterminer la contribution de la forte illumination dans les conclusions précédentes. Nous avons utilisé pour cela la spectroscopie de magnéto-transmission infra-rouge qui ne modifie pas les conditions d'équilibre du gaz d'électrons. Une largeur critique de 130 nm a été extraite, en dessous de laquelle nous n'avons plus aucun signe de la présence d'électrons libres. La comparaison des mesures Raman et infra-rouge a permis l'établissement et la validation d'un modèle microscopique du potentiel de confinement présent dans les fils. Enfin nous avons fabriqués des échantillons de géométries plus complexes. L'observation et l'analyse par diffusion Raman des plasmons dans ces fils a montré que nous pouvions contrôler la géométrie du potentiel confinant les électrons et a mis en évidence des effets nouveaux tels que le repliement et le confinement de plasmons unidimensionnels.

by Tong Shiu Sing Dominic.
Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1992.
Includes bibliographical references (leaves 242-245).
Acknowledgements --- p.iv
Abstract --- p.v
Chapter I --- Introduction --- p.1
Chapter 1.1 --- A general review of the theory --- p.1
Chapter 1.2 --- An outline of this thesis --- p.6
Chapter II --- Dispersion surfaces of cold magnetoplasmas --- p.9
Chapter 2.1 --- Meaning of dispersion surface and wavevector surface --- p.9
Chapter 2.2 --- Dispersion surfaces of a two component electron-ion magnetoplasma --- p.13
Chapter 2.3 --- Dispersion surfaces of a three component electron-ion-positron magnetoplasma --- p.35
Chapter 2.4 --- Dispersion surfaces of a three component electron-ions magnetoplasma --- p.50
Chapter 2.5 --- Doppler shifted wavevector surfaces (DWS) --- p.61
Chapter A. --- Examples of DWS in an isotropic cold plasma --- p.61
Chapter B. --- Examples of DWS in a cold magnetoplasma --- p.62
Chapter 2.6 --- Dispersive surfaces of a moving magnetoplasma --- p.63
Chapter III --- Evaluation of far field caused by a moving source --- p.72
Chapter 3.1 --- Maxwell's equations and constitutive relations --- p.72
Chapter 3.2 --- Calculation of far field by Lai and Chan's method --- p.75
Chapter 3.3 --- Radiation energy flow --- p.85
Chapter IV --- Controversy of Lai and Chan's method --- p.94
Chapter 4.1 --- Origin of the controversy --- p.94
Chapter 4.2 --- Evaluating the far field by the method of other authors --- p.97
Chapter 4.3 --- "Comparsion of the fields found by Lai, Chan and other authors" --- p.100
Chapter A. --- Comparing the far fields in an uniaxial non-dispersive medium --- p.101
Chapter B. --- Comparing the far fields in an isotropic cold plasma --- p.104
Chapter 4.4 --- Some remarks on the method of stationary phase --- p.109
Chapter V --- Gyro-radiation in a cold magnetoplasma --- p.113
Chapter 5.1 --- Introduction --- p.113
Chapter 5.2 --- Radiation energy flux caused by a moving dipole in a magnetoplasma --- p.115
Chapter 5.3 --- Radiation energy flux caused by a gyrating electron in a magnetoplasma --- p.135
Chapter VI --- The ratio of emitted to received power in a magnetoplasma --- p.186
Chapter 6.1 --- Introduction --- p.186
Chapter 6.2 --- Methol of calculating the ratio of emitted to received power --- p.187
Chapter 6.3 --- Numerical examples of the power ratio in a magnetoplasma --- p.191
Chapter VII --- Evaluation of far field in a moving medium --- p.199
Chapter 7.1 --- Introduction --- p.199
Chapter 7.2 --- Far field expression in a moving medium --- p.200
Chapter 7.3 --- Relation between Lai and Chan's far field and the far field in a moving medium --- p.206
Chapter VIII --- Radiation in some moving media --- p.216
Chapter 8.1 --- Introduction --- p.216
Chapter 8.2 --- Radiation in a moving isotropic non- dispersive medium --- p.216
Chapter 8.3 --- Radiation in a moving isotropic cold plasma --- p.223
Chapter 8.4 --- Radiation in a moving cold magnetoplasma --- p.226
Chapter IX --- Conclusions --- p.232
Appendix A --- p.235
Appendix B --- p.238
Appendix C --- p.241
References --- p.242

This work was motivated by questions raised from multifrequency microwave interferometer measurements taken in a cylindrical plasma on the Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) project. Standard data analysis based on a thin beam model neglecting refraction yields inconsistent electron densities and density profiles for different frequencies. This work focuses on the development of a model for the wave propagation through cylindrical plasmas when the plasma radius is on the order of the beam waist. For the calculations presented a Gaussian beam profile and plasma spatial profile were assumed. Both refraction by density gradients and finite beam sizes are found to play important roles and explain polychromatic differences in the electron densities and profiles. Calculations for the new model are compared to a thin beam model not accounting for refraction and experimental data from VASIMR.

The 10 kilowatt prototype of the Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) engine, abbreviated as VX-10, is designed to eject plasma at exhaust velocities of tens of kilometers per second. In this device, energy is imparted to the plasma ions by two mechanisms: ion cyclotron resonant heating (ICRH), and acceleration in an ambipolar electric field. Measurements from two different electrostatic probes are combined to determine how much each mechanism contributes to the total ion energy. The first probe is a gridded retarding potential analyzer (RPA) that incorporates a multi-channel collimator to obtain precise measurement of the ion and electron parallel energy distributions. The second is an emissive Langmuir probe that measures the DC and RF components of the plasma potential. The plasma potential obtained from the emitting probe allows calculation of the parallel velocity distribution once the parallel energy distribution is obtained from the energy analyzer data. Biasing the RPA housing is shown to minimize the plasma perturbation, as monitored by an auxiliary probe. When this minimization is done, the RPA measurements become compatible with the emissive probe's measurement of plasma potential. The collimated RPA and emissive probe have been used to examine the effects of a double dual half-turn (DDHT) antenna encircling the plasma. When power at the ion cyclotron frequency is applied, changes are seen in the saturation current and mean ion energy of the collimated RPA characteristic. The evolution of these changes as the RPA is moved downstream from the antenna is interpreted as firm evidence of ion cyclotron heating, albeit at absorbed energies of less than 1 electronvolt per ion. The emissive probe shows that, within experimental error, all of the increased ion energy is accounted for by an increase in the plasma potential that occurs when the ICRF power is applied. The combined RPA and emissive probe data also show that there is a jet of flowing plasma in the VX-10 when operated with the helicon source alone but that the signal from this jet is overwhelmed by a rapidly growing stationary plasma within the first second of the discharge.

Gallium nitride (GaN) is nowadays one of the most important semiconductors, especially from the point of view of high-temperature and high-frequency applications in the fields of high-speed electronics, optoelectronics and blue, violet as well as ultraviolet optics. Concerning basic research, however, focused on fundamental phenomena that can be explored in III-V semiconductor structures, it still remains in the background of gallium-arsenide-based systems. It is particularly true for collective excitations of a two-dimensional electron gas (2DEG). An important class of these excitations are charge-density oscillations, usually referred to as plasma oscillations or plasma waves in order to emphasize the fact that at sufficiently low temperature, a 2DEG of high density acquires all the features which underlie the definition of plasma - one of the four fundamental states of matter. In the presence of an external magnetic field (B), plasma waves become a powerful tool to probe the non-local properties of a 2DEG, which to the best knowledge of the author have not yet been systematically investigated in GaN-based systems. The main goal of the following dissertation was therefore to at least partially fill this gap by analysing the influence of the non-local effects on the spectrum of two-dimensional magnetoplasma excitations in GaN/AlGaN heterostructures. The samples under study were large-area (about 1.6mm × 1.6mm) field-effect transistors (FETs) with grating-gate electrodes of different periodicity (L) and width of an individual metallic gate’s stripe (W). We have considered four transistor structures with L ranging from 2.0µm to 4.0µm and a separation between the adjacent gate’s fingers (S = L − W) equal either to 0.35µm or to 0.85µm. A primary role of the gratings was to ensure an optical coupling between the 2DEG magnetoplasmons and the incoming electromagnetic radiation. When electrically polarized, they additionally served to control the concentration of a 2DEG in the FET’s channel. We also had at our disposal a reference sample of exactly the same dimensions as grating FETs, but with no gate electrode deposited on its top surface. All the samples were processed on a high-quality GaN/AlGaN heterostructure grown Ga-face up on a sapphire substrate by Migration-Enhanced Metal-Organic Chemical Vapor Deposition technique. Each of them contained a quasi-2DEG of areal density N_0 ∼ 10^13 cm^{−2}, originating from both the spontaneous and piezoelectric polarization as well as doping of AlGaN barrier with silicon donors to approximately 2 × 10^18 cm^{−3} . The electrical-transport properties of our structures were determined from two-terminal measurements of the magnetic-field dependence of the channel resistance, R(B), recorded at 4.3–8K for a given polarization of the gate electrode (V g 6 0) and the B field up to 10T applied perpendicularly to the plane of a 2DEG. Both orientations of the magnetic field (parallel and anti-parallel to the heterostructure’s growth direction) were considered in order to correctly extract the diagonal part of the magnetoresistivity tensor from the experimental data. An analysis of the Shubnikov-de Haas oscillations, developing in a high-field part of R(B) traces, enabled us to estimate the 2DEG density (N) as a function of V_g as well as the so-called electron quantum relaxation time, τ_q , for V_g = 0. We found out that in FETs with a larger slit between the adjacent grating-gate’s fingers, an application of V_g < 0 resulted in creating a lateral modulation of N, whereas for a narrower slit, each section of the gate controlled N in the entire period of the structure. A minimal distance, required to observe two populations of carriers with clearly different densities, was initially a bit surprising to us, since it exceeded a typical range resulting from the electric-field-fringing effect and diffusion by almost four times. Following the conclusions from independent experiments performed by other researchers (scanning capacitance microscopy, UV-light-induced persistent photocurrent measurements) we now attribute this phenomenon to charging the surface states on top of the AlGaN barrier (proven to be of acceptor-like type), which can extend the physical dimensions of the source of electrostatic potential by even a 0.5µm. Such a mechanism was shown to be especially efficient in devices that exhibit substantial gate-leakage currents, what fits very well the structures studied in this dissertation. A low-magnetic-field part of the properly symmetrized magnetoresistance data helped us to estimate an N-dependent mobility and momentum relaxation time, τ_t . An unexpectedly high τ_t /τ_q ratio at V_g = 0, varying from sample to sample from 25 to almost 40 and partially originating from the inhomogeneity of the 2DEG layer, which is hard to avoid in large-area crystals, also confirmed the presence of surface states occupied by electrons and acting as a source of the long-range scattering potential. In order to explain the general shape of R(B) curves recorded on the grating-gate structures we propose a model based on the gate-leakage-current-enhanced geometri- cal magnetoresistance - an effect, which to the best knowledge of the author, has not yet been reported in the literature. We show, that when accurately analysed (with the aid of a conformal mapping description of the current-path distortion), it can give a very deep insight into the measured system, offering, for instance, the possibility of determining the spatial distribution of the gate-leakage current density along the FET’s channel. In our case, estimating the shape of this distribution turned out to be very important for understanding a surprisingly weak susceptibility to the gate voltage that was exhibited by magnetoplasmon modes in most of the samples under investigation. The optical part of our research was based on two complementary magnetotrans- mission experiments. In the first one, transmission measurements covering the spec- tral range from 0.6THz to 15THz were carried out at 1.8K with the use of a Fourier transform infrared spectrometer coupled with the magnetic field up to 13T. Spectra were recorded for different values of B and floating gate potential. In the second experiment, an optically pumped far-infrared laser was utilized to shine a 2.52THz radiation on a sample kept at 4.3–8K. Due to the constant energy of excitation, a transmission signal was registered either as a function of B up to 10T with V g set to a given value or V g down to -5V, but for B = const. As in the case of magneto- transport characterization, also in both optical experiments the B field was directed perpendicularly to the plane of a 2DEG. Clear evidence of magnetoplasmon resonances were found in transmission spec- tra collected for all the samples under study. The quality of experimental data improved, if necessary, by means of a numerical transformation known as Fourier Self-Deconvolution, enabled us to construct the B-field dispersion diagrams of the recorded modes of magnetoplasma oscillations. When analysed in such diagrams, the experimental points denoting the minima in respective transmission curves turned out to represent either a so-called upper-hybrid mode (UHM), which originates from plasma waves that exist also for B = 0, or the modes discovered on a theoretical basis by I. B. Bernstein, which appear only in magnetized plasmas of frequency- and wave-vector-dependent conductivity. Up to the best knowledge of the author, it is the first time, when observation of these modes is reported for the GaN/AlGaN-based structures. In plasma physics, Bernstein modes (BMs) are recognized as a direct probe of the non-local properties of the medium through which they propagate at frequencies close to the harmonics of the cyclotron resonance frequency. Since the energy of any given BM increases with the magnetic field faster than the energy of the UHM, there are values of B at which these two modes should become degenerate. Such a scenario is not, however, allowed by the symmetry rules and what happens instead is the mode-mixing, which in the B-field dispersion diagram appears as an anti-crossing (or repulsion) between curves corresponding to the UHM and a given BM. Apart from these interaction regions, the amplitudes of BMs are very small, so that extracting them from experimental data becomes a challenging task. Further- more, the anti-crossings get smaller as the order of BM increases. In consequence, the undeniable traces of only the first two BMs excited in solid state plasmas have been reported so far for high-quality GaAs/AlGaAs samples (concerning the exper- iments performed as a function of the magnetic field for a given value of the 2DEG density). In spite of much worse parameters of a 2DEG, we have obtained the same results in the GaN/AlGaN structures, what demonstrates their potential for com- peting with the GaAs-based systems also in the field of basic research in condensed matter physics. Moreover, thanks to rich spectra, composed of many magnetoplas- mon modes (up to 10th harmonics of the fundamental frequency corresponding to the longest wave vector allowed by the grating coupler) we were able to examine the existing semi-classical theory of magnetoplasma excitations to the extent, which was unattainable in the previous studies carried on with the help of GaAs/AlGaAs sam- ples. The organisation of the thesis is the following. It is composed of two parts entitled ’Theoretical considerations’ and ’Experimental results’. Each of them contains two chapters. In Chapter 1, we systematically develop the description of two-dimensional magnetoplasma oscillations, starting from the case of a free electron gas and progres- sively moving towards more and more complex semiconductor structures. In Chapter 2, the fundamentals of relevant magnetotransport phenomena, occurring both at low and high magnetic fields, are briefly reminded with a special emphasis placed on collecting all the expressions used to process and interpret the experimental data presented in the second part of this dissertation. Chapter 3 contains a discussion of general properties of the grating-couplers as well as provides the details of grating- gate GaN/AlGaN transistor structures under investigation. In Chapter 4, the ex- perimental techniques and the results of our magnetotransport and magnetooptical measurements are widely described and interpreted with the aid of theoretical con- cepts introduced in Chapters 1 and 2. Finally, we briefly summarize the thesis listing once again the most important results it announces.
Azotek galu (GaN) jest obecnie jednym z najważniejszych półprzewodników, zwłaszcza z punktu widzenia wysokotemperaturowych i wysokoczęstotliwościowych zastosowań w dziedzinach takich jak szybka elektronika, optoelektronika oraz optyka światła niebieskiego, fioletowego, a także ultrafioletu. Biorąc pod uwagę badania podstawowe, skoncentrowane na fundamentalnych zjawiskach, do jakich dostęp dają struktury półprzewodnikowe z rodziny III-V, wciąż pozostaje jednak w cieniu ukła- dów opartych na arsenku galu. Dotyczy to w szczególności kolektywnych wzbudzeń dwuwymiarowego gazu elektronowego (z ang. two-dimensional electron gas, 2DEG). Ważną klasą tych wzbudzeń są oscylacje gęstości ładunku, nazywane zwykle oscyla- cjami plazmowymi lub falami plazmowymi dla podkreślenia faktu, że ochłodzony do odpowiednio niskiej temperatury 2DEG o dużej gęstości zyskuje wszystkie cechy, ja- kie są uznawane za charakterystyczne dla plazmy - jednego z czterech podstawowych stanów skupienia materii. W obecności zewnętrznego pola magnetycznego (B), fa- le plazmowe stają się potężnym narzędziem w próbkowaniu nielokalnych właściwości 2DEG, które wedle wiedzy autora niniejszej pracy, nie były jeszcze systematycznie ba- dane w układach opartych na GaN. Stąd też, podstawowym celem tej rozprawy było przynajmniej częściowe wypełnienie powyższej luki poprzez przeanalizowanie wpływu efektów nielokalnych na widmo wzbudzeń poddanej wpływowi pola magnetycznego dwuwymiarowej plazmy elektronowej w heterostrukturach GaN/AlGaN. Badane próbki miały postać tranzystorów polowych o dużej powierzchni (1,6mm × 1,6mm), wyposażonych w bramki o konstrukcji siatek dyfrakcyjnych o różnym okresie (L) i szerokości (W) tworzących je pasków metalu. Rozważono cztery struktury o okre- sach z przedziału 2,0µm – 4,0µm i odstępie pomiędzy sąsiadującymi ze sobą paskami siatki, S = L − W, równym 0,35µm lub 0,85µm. Podstawową rolą siatek było zapew- nienie sprzężenia optycznego pomiędzy wzbudzeniami magnetoplazmowymi w 2DEG a padającym na próbkę promieniowaniem elektromagnetycznym. Spolaryzowane elek- trycznie, służyły one również do kontroli koncentracji 2DEG w kanale tranzystora. Poza strukturami ze sprzęgaczami siatkowymi mieliśmy także do dyspozycji próbkę referencyjną o dokładnie tych samych, co wyżej wymienione, wymiarach geometrycz- nych, ale nieposiadającą bramki. Wszystkie próbki zostały wytworzone na wysokiej jakości heterostrukturze GaN/AlGaN wyhodowanej stroną galową do góry na podło- żu szafirowym za pomocą techniki MEMOCVD R ⃝ (z ang. Migration-Enhanced Metal- Organic Chemical Vapor Deposition). Każda z nich zawierała kwazi-dwuwymiarowy gaz elektronowy o gęstości powierzchniowej N 0 ∼ 10 13 cm − 2 , pochodzący zarówno ze spontanicznej i piezoelektrycznej polaryzacji, jak i domieszkowania bariery AlGaN- owej atomami krzemu (donorami) na poziomie 2 × 10 18 cm − 3 . Właściwości transportowe naszych struktur zostały określone na podstawie dwu- kontaktowych pomiarów zależności oporu kanału tranzystora od pola magnetycznego, R(B), przeprowadzonych w temperaturze 4,3K – 8K dla zadanej polaryzacji elek- trycznej bramki (V g 6 0) oraz pola B (do 10T) skierowanego prostopadle do płasz- czyzny 2DEG. W celu prawidłowego wyznaczenia diagonalnych składowych tensora magnetooporności, podczas ich wykonywania, wzięto pod uwagę oba zwroty pseudo- wektora indukcji magnetycznej (równoległy i antyrównoległy do kierunku wzrostu he- terostruktury). Analiza oscylacji Shubnikov’a-de Haas’a rozwijających się w wysoko- polowej części krzywych R(B) umożliwiła nam określenie koncentracji 2DEG (N) jako funkcji V g jak również tak zwanego kwantowego czasu relaksacji, τ q , dla V g = 0. Zaobserwowaliśmy, że w próbkach charakteryzujących się większą szczeliną pomiędzy sąsiadującymi ze sobą paskami bramki, przyłożenie do sprzęgacza siatkowego napię- cia V g < 0 skutkowało wytworzeniem przestrzennej modulacji N, podczas gdy w tych z węższymi szczelinami, każdy segment bramki kontrolował N na długości całego okresu struktury. Minimalna odległość wymagana do pojawienia się dwóch populacji nośników ładunku o wyraźnie różnych koncentracjach była dla nas początkowo za- skoczeniem, albowiem przekraczała prawie czterokrotnie typowy dystans, jaki wynika z dyfuzji i efektu wnikania pola elektrycznego do przestrzeni poza konturem bramki (z ang. electric-field-fringing effect). Posiłkując się wnioskami płynącymi z niezależ- nych eksperymentów przeprowadzonych przez innych badaczy, opartych na skaningo- wej mikroskopii pojemnościowej oraz pomiarach fotoprądu indukowanego promienio- waniem UV, przypisujemy obecnie to zjawisko ładowaniu stanów powierzchniowych w barierze AlGaN-owej (zidentyfikowanych jako stany typu akceptorowego), które może prowadzić do rozszerzenia fizycznych wymiarów źródła potencjału elektrosta- tycznego nawet o 0,5µm. Jak pokazano, taki mechanizm powinien być szczególnie efektywny w przypadku urządzeń charakteryzujących się znaczącymi prądami upływ- ności bramki, co bardzo dobrze odpowiada strukturom badanym w ramach niniejszej rozprawy. Nisko-polowa część wyników magnetotransportowych poddanych odpowiedniej sy- metryzacji pomogła nam w oszacowaniu zależącej od koncentracji ruchliwości elektro- nów oraz czasu relaksacji pędowej, τ t . Nieoczekiwanie wysoka wartość stosunku τ t /τ q dla V g = 0, wynosząca dla różnych próbek od 25 do prawie 40 i związana częściowo z niejednorodnością warstwy 2DEG, której trudno uniknąć w przypadku kryszta- łów o dużej powierzchni, również wskazała na obecność stanów powierzchniowych obsadzonych elektronami i działających jako źródło daleko-zasięgowego potencjału rozpraszającego. W celu wyjaśnienia ogólnego kształtu krzywych R(B) otrzymanych na próbkach ze sprzęgaczami siatkowymi proponujemy w niniejszej pracy model oparty na zjawi- sku spotęgowanego prądem upływności bramki geometrycznego magnetooporu, które wedle naszej wiedzy nie było do tej pory opublikowane. Jak pokazujemy, podda- ny skrupulatnej analizie bazującej na opisie zakrzywienia ścieżek prądowych metodą mapowania konforemnego, efekt ten może dać głęboki wgląd we właściwości badane- go układu, umożliwiając na przykład wyznaczenie przestrzennego rozkładu gęstości prądu upływności bramki wzdłuż kanału tranzystora polowego. Określenie kształtu tego rozkładu okazało się być w naszym przypadku niezwykle ważne dla zrozumienia zadziwiająco słabej podatności modów magnetoplazmowych na napięcie przyłożone do bramki, jaką zaobserwowaliśmy na większości próbek będących przedmiotem ba- dań tej rozprawy. Optyczna część naszych pomiarów była oparta na dwóch typach uzupełniających się eksperymentów magnetotransmisyjnych. W ramach pierwszego z nich, badania obejmujące zakres spektralny od 0,6THz do 15THz zostały przeprowadzone w tem- peraturze 1,8K z wykorzystaniem spektrometru Fourierowskiego sprzężonego z polem magnetycznym do 13T. Dostarczyły one widm zarejestrowanych dla różnych warto- ści B i niespolaryzowanej intencjonalnie bramki. W przypadku drugiego eksperymen- tu, źródłem światła o częstotliwości 2,52THz kierowanego na próbkę utrzymywaną w temperaturze 4,3K – 8K był pompowany optycznie laser dalekiej podczerwieni. Ze względu na stałą energię pobudzenia, sygnał transmisyjny był mierzony albo w funkcji B do 10T przy zadanej wartości napięcia przyłożonego do bramki, albo też w zależno- ści od V g do -5V dla B = const. Tak jak w trakcie wykonywania badań magnetotran- sportowych, w obu eksperymentach optycznych pole B było skierowane prostopadle do płaszczyzny 2DEG. Wyraźne ślady wzbudzeń magnetoplazmowych zostały zaobserwowane w widmach transmisyjnych wszystkich próbek, na których zostały przeprowadzone pomiary. Wy- soka jakość danych doświadczalnych, uzyskana między innymi dzięki zastosowaniu transformacji numerycznej znanej jako auto-dekonwolucja Fourierowska (z ang. Fo- urier Self-Deconvolution), pozwoliła na skonstruowanie diagramów dyspersyjnych za- rejestrowanych modów oscylacji magnetoplazmowych. Po przeprowadzonej z ich po- mocą analizie, okazało się, że punkty eksperymentalne oznaczające lokalne minima odpowiednich krzywych transmisyjnych, reprezentują bądź tzw. górne mody hybry- dowe (z ang. upper-hybrid modes, UHM) powstające z fal plazmowych istniejących również w granicy B → 0, bądź też mody odkryte na gruncie teoretycznym przez I. B. Bernsteina, które pojawiają się wyłącznie w poddanej wpływowi pola magne- tycznego plazmie o przewodności zależącej tak od częstotliwości, jak i od wektora falowego. Wedle naszej wiedzy, nikomu przed nami nie udało się zaobserwować mo- dów Bernsteina (BM) w strukturach półprzewodnikowych opartych na GaN/AlGaN. W fizyce plazmy, mody te są uznawane za bezpośredni próbnik nielokalnych właści- wości ośrodka, w którym propagują się z częstotliwościami bliskimi harmonicznym częstotliwościom rezonansu cyklotronowego. Ponieważ energia dowolnie wybranego BM rośnie z polem magnetycznym szybciej aniżeli energia UHM, dla pewnej warto- ści B mody te powinny stać się zdegenerowane. Taki scenariusz wykluczają jednak względy symetrii, za sprawą których, w rzeczywistości dochodzi między nimi do silne- go oddziaływania, które na wspomnianych wyżej diagramach dyspersyjnych objawia się w postaci niedozwolonych przecięć (lub odpychania) pomiędzy krzywymi odpo- wiadającymi UHM i danemu BM. Poza obszarami oddziaływania, amplituda modów Bernsteina bardzo szybko osiąga na tyle małe wartości, że wyekstrahowanie ich z da- nych doświadczalnych staje się niezwykle trudnym zadaniem. Co więcej, mierzona w jednostkach energii odległość pomiędzy krzywymi dyspersyjnymi w granicach nie- dozwolonych przecięć maleje ze wzrostem rzędu BM. W konsekwencji, nie budzące żadnych wątpliwości dowody istnienia uzyskano do tej pory jedynie dla dwóch pierw- szych modów Bernsteina zaobserwowanych na próbkach wykonanych z wysokiej ja- kości heterostruktur GaAs/AlGaAs (mamy w tym przypadku na myśli eksperymenty przeprowadzone w funkcji pola magnetycznego dla zadanej gęstości powierzchnio- wej 2DEG). Pomimo znacznie gorszych parametrów 2DEG, otrzymaliśmy dokładnie te same rezultaty na strukturach GaN/AlGaN, co wyraźnie pokazuje ich potencjał w konkurowaniu z układami opartymi na GaAs również w dziedzinie badań podstawo- wych materii skondensowanej. Warto zwrócić także uwagę na fakt, że dzięki bogatym widmom złożonym z wielu rezonansów magnetoplazmowych (o częstościach docho- dzących włącznie do 10 harmonicznej fundamentalnej częstości plazmowej określo- nej przez najdłuższy wektor falowy odpowiadający okresowi sprzęgacza siatkowego) byliśmy w stanie dokonać weryfikacji istniejącej teorii półklasycznej, która opisuje wzbudzenie magnetoplazmowe, w stopniu, jaki nie był osiągalny we wcześniejszych badaniach podjętych z pomocą struktur GaAs/AlGaAs. Układ niniejszej rozprawy przedstawia się następująco. Jest ona złożona z dwóch części zatytułowanych „Rozważania teoretyczne” i „Wyniki eksperymentalne”. Każda z nich obejmuje dwa rozdziały. W rozdziale pierwszym, konstruujemy systematycz- nie opis oscylacji dwuwymiarowej plazmy poddanej wpływowi pola magnetycznego, poczynając od przypadku gazu swobodnych elektronów i przechodząc stopniowo do coraz bardziej złożonych struktur półprzewodnikowych. W rozdziale drugim, przypo- minamy krótko podstawy wybranych zjawisk magnetotransportowych występujących zarówno w niskich jak i wysokich polach magnetycznych. Naszym głównym celem jest w tym przypadku zebranie wszystkich wyrażeń, jakie są potrzebne do zrozu- mienia szczegółów opracowania i interpretacji danych eksperymentalnych zaprezen- towanych w drugiej części pracy. Rozdział trzeci zawiera dyskusję na temat ogólnych właściwości sprzęgaczy siatkowych, jak również dostarcza wyczerpujących informacji odnośnie badanych próbek GaN/AlGaN. W rozdziale czwartym opisujemy szeroko zarówno techniki doświadczalne jak i wyniki pomiarów magnetotransportowych i ma- gnetooptycznych, które są następnie poddane interpretacji z wykorzystaniem modeli teoretycznych rozwiniętych w rozdziałach pierwszym i drugim. Pracę zamyka krótkie podsumowanie wszystkich najważniejszych rezultatów, które zostały w niej ogłoszone.

This work is motivated by the Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) experiment. This device uses a helicon antenna to generate a plasma inside a dielectric tube, which is radially confined and directed towards the rocket nozzle by an axial magnetic field. An ion cyclotron heating antenna further heats the ions, and a magnetic nozzle accelerates the plasma along the confining magnetic field as it leaves the rocket, ultimately allowing it to detach from the magnetic field and produce thrust. The experimental research presented here provides insight into the physical mechanisms of power flow in a helicon system by providing an overall system power balance in the form of heat flux measurements, and exploring changes in the heat fluxes in different parts of the system in response to varying operational parameters. An infrared (IR) camera measures the total heat flux into the dielectric tube surface, and axially scanned bolometer and UV photodiode probes measure the radial power loss from particles and radiation. Results from IR camera measurements on three different helicon systems are presented: the VASIMR VX-50 experiment, the VASIMR VX-CR experiment, and the University of Texas at Austin (UT) helicon experiment. These results demonstrate the development of the IR camera diagnostic for use on helicon systems of varying scale and geometry, and show reasonable agreement as to the fraction of input power lost to the dielectric tube walls. On the UT experiment, the results presented account for essentially all of the input power, providing a full system power balance. The data from all three experiments indicate that radial transport of ions to the interior wall is the dominant mechanism of power loss, with UV radiation contributing a small percentage. Additional experiments on the UT helicon explore energy and particle transport to the wall due to capacitive coupling of ions near the antenna. These experiments show clear damage to the dielectric tube surface directly under the antenna, due to physical plasma etching of the surface by bombarding ions that are accelerated into the wall by local electric fields from the antenna.
text

The extent of Terahertz (THz) radiation applications during last two decades has grown extensively as it was found to be useful in the fields such as medical imaging, security or drugs control to name just a few. However, despite a tremendous work already done, the compact system of THz imaging operating at room temperature is still an issue. Up to now, GaAs or GaN-based heterostructures and Si electron inversion layers were mostly used in solid-state THz optoelectronics. There, such a resonant phenomena as collective oscillations in a two-dimensional (2D) electron plasma and a free electron cyclotron resonance (CR) were observed. When it comes about THz magnetospectroscopy in a high electron mobility CdTe-based QWs, not many reports in the literature can be found. Due to a polar nature of the crystal lattice bonds and relatively low optical phonon energies the influence of a polaron effect on cyclotron resonance as well as a plasmon-phonon interaction are much larger in CdTe than in the materials mentioned before. Better understanding of these fundamental effects is extremely important for the operation of the devices based on CdTe such as frequency tunable THz detectors, for example. The goal of this work was to investigate the THz radiation induced effects in 2D electron plasma in CdTe-based QWs, concentrating an attention on the 2D plasmon excitation and peculiarities resulting from the polar nature of the material. The experiments were done on a high electron mobility CdTe/CdMgTe quantum wells, modulation doped with n-type impurity at one of the barriers (closer to the surface). All measurements were done at liquid helium temperature. A set of samples with a different parameters such as doping density and quantum well width were investigated in a photocurrent experiments. Also, transmission on samples containing a photo-lithographically formed metal grid-gate on the top was measured. A photocurrent induced in a quantum point contact (QPC) device defined by an electron beam lithography was also investigated. In order to characterize the samples, magnetotransport experiments were done at first. The 2DEG concentration was found as well as electron effective mass and quantum scattering time by analyzing the oscillation period and amplitude of Shubnikov-de Haas oscillations. Also, the feature at Landau level filling factor $\nu$ =4/3 was observed which might arise due to a Fractional Quantum Hall Effect (FQHE). Photocurrent spectra as a function of magnetic field (B) and exciting the sample with a constant frequency radiation taken from THz laser were recorded. In some samples only a narrow cyclotron resonance (CR) peak was observed ($\Delta B_{\text{{FWHM}}}\sim0.2$ T), while in the others optically induced SdH oscillations were present together with CR peak. The absence of SdH oscillations can be explained by the 2DEG heating due to bias current through the sample. An interesting phenomenon was observed, when optically induced SdH oscillations were analyzed. The additional splitting at Landau level filling factors $\nu$ = 1, 2 and 4 was observed. This phenomena might arise to the breaking of an Integer Quantum Hall (IQH) state due to THz radiation induced bolometric effect. However deeper investigation of the phenomenon is needed. The next topic of the investigation was THz detection with a gated 2D electron plasma in CdTe/CdMgTe quantum wells. For this purpose a few samples with a deposited gold gate electrode allowing for the 2DEG concentration control with a voltage, were prepared. Here the SdH oscillations and a CR transition were observed and a non-monotonical dependence of CR peak magnitude on $V_{\text{g}}$ was found. In general, changing the $V_{\text{g}}$ it is possible to reduce the CR peak magnitude to the level of SdH oscillations, or to increase it to exceed SdH magnitude more than 20 times. Also, sample response at a few laser lines was measured as a function of the gate voltage at a constant magnetic field $B=B_{\text{CR}}$. The above described CR peak magnitude dependence on $V_{\text{g}}$ or, in other words, a possibility to switch on and off the resonant detection was demonstrated. Another sample used for these experiments had a Hall bar geometry with a gated conduction channel. Experimental results also showed a non-monotonical CR peak magnitude dependence on the gate polarization. However, in this case the CR magnitude dependence on $V_{\text{g}}$ showed well developed plateau regions. Photocurrent spectra as a function of $B$ were measured on a QPC sample. The device has a lateral gate and the conduction channel with the constriction of the form of a bottle-neck. Spectra were measured for a few laser frequencies and for a few gate voltage values. In both cases, CR maxima with a spectral features at low-$B$ shoulder were registered. The spectral structures were found to represent the first and higher harmonics of electron plasma oscillations in magnetic field, also known as magnetoplasmons. It was found that plasmon frequency does not depend on the gate voltage, suggesting that detected plasma resonances form at the wide part of the channel, and not at the bottle-neck. Data analysis showed that plasmons observed are of ungated type and are confined in the conduction channel (width $W=2.4 \mu$m). In transmission spectra recorded on the grid-gated samples using the Fourier interferometer, the electron effective mass increase was observed at the strong magnetic fields which arises from the resonant polaron effect. Transmission spectra recorded using the THz laser show a deep symmetric CR minimum for the reference sample (that without a metal grid). For the samples with the metal grid, on the low-$B$ shoulder of CR dip, additional features were present. They were observed for two different laser frequencies and for two metal grids of a different periodicity. According to the theoretical calculations, these features are the first four harmonics of magnetoplasmons, with wavevectors defined by the period of the grating. These plasmons were shown to be a mixture of screened plasmons existing under metal fingers and unscreened plasmons existing in the openings of the grid. The proportion of plasmons of each type in the mixture were found to be approximately equal to the geometrical aspect ratio of the grating. Also, comparing experimental results with the theory it was found that the 2D plasmon frequency in n-doped CdTe/CdMgTe QWs of high electron mobility is strongly influenced by the plasmon-phonon interaction. To sum up, resonant (cyclotron transition and 2D plasmons) and non-resonant (SdH oscillations) THz detection was demonstrated in the high electron mobility CdTe/CdMgTe QWs. Also, effects arising from polar nature of CdTe lattice were such as resonant polaron effect and plasmon-phonon interaction were shown to be important. To the best knowledge of the author 2D plasmons excited by THz radiation were demonstrated in CdTe/CdMgTe QWs for the first time.

W ramach badań, opisanych w niniejszej pracy doktorskiej, zajmowałem się charakteryzacją wzbudzeń dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) w polu magnetycznym pod wpływem promieniowania terahercowego (THz). Promieniowanie THz to promieniowanie elektromagnetyczne o zakresie częstości 0.1–10.0 THz. Przedmiot moich badań wywodzi się z szerszego nurtu inżynieryjno-naukowego, zapoczątkowanego w latach 90. XX w., mającego na celu stworzenie detektorów promieniowania THz opartych na wzbudzeniach plazmy w urządzeniach półprzewodnikowych o przestrajalnej częstości detekcji. Zastosowania promieniowania THz są bardzo obiecujące ze względu na jego niezwykłe własności – jest to promieniowanie elektromagnetyczne przenikliwe dla licznej grupy materiałów nieprzezroczystych w świetle widzialnym, a jednocześnie wiele związków chemicznych ma w tym zakresie charakterystyczne linie absorpcyjne i emisyjne. Poza obrazowaniem, wskazuje się również promieniowanie THz jako nośnik zdalnej komunikacji. Ze względu na liczne potencjalne zastosowania urządzeń pracujących w zakresie THz, nastąpił duży postęp technologiczny w tej dziedzinie i obecnie dostępne są już komercyjne urządzenia, umożliwiające np. obrazowanie w zakresie THz. Inspiracją dla tych badań były prace M. Dyakonova oraz M. Shura przewidujące, że w tranzystorze polowym (FET), poddanym wpływowi promieniowania THz, powstaje stałe napięcie pomiędzy kontaktami prądowymi tego urządzenia. Taki skok napięcia nazywany jest fotonapięciem (PV). Powstanie tego zjawiska tłumaczone jest niestabilnością prądu spowodowaną wzmocnieniem fal plazmowych na granicach tranzystora. Dyakonov i Shur przewidzieli, że FET powinien odpowiadać na promieniowanie THz w częstościach rezonansowych, związanych z jego wymiarami – spodziewali się, że kanał tranzystora polowego stanowi wnękę rezonansową dla fal plazmowych. Nie było to nowatorskie podejście, gdyż już w latach 70. XX w. obserwowano wzbudzenia dwuwymiarowej plazmy w 2DEG o skończonych wymiarach. Wcześniej jednak nie przewidywano powstawania rezonansowego sygnału fotonapięciowego. Co więcej, Dyakonov i Shur spodziewali się, że jako detektory można wykorzystać powszechnie dostępne tranzystory polowe. Przewidywana przez autorów częstość takich rezonansowych modów mieściła się w zakresie THz widma promieniowania elektromagnetycznego. Jednocześnie, Dyakonov i Shur przewidzieli, że FET będzie również odpowiadać w częstościach nierezonansowych, jeśli ruchliwość elektronów nie jest zbyt duża. Zgodnie ze teorią Dyakonova-Shura, tranzystor polowy może być detektorem i źródłem promieniowania THz. Jednak zaobserwowana do tej pory emisja promieniowania THz z tranzystorów polowych ma zbyt niską moc, aby możliwe było praktyczne wykorzystanie FET jako emitera. Tym bardziej, że konieczne jest jego schłodzenie to temperatur kriogenicznych. Z tego względu, FET obecnie przegrywa z takimi źródłami promieniowania dalekiej podczerwieni, jak np. kwantowe laser kaskadowe. Detekcję nierezonansową odkryto na całej serii materiałów i w różnych typach tranzystorów polowych. Badano m.in. tranzystory typu MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik) oparte na krzemie oraz HEMT (tranzystory o wysokiej ruchliwości nośników) oparte na różnych złączach materiałów (np. GaN/AlGaN, GaAs/AlGaAs, InGaAs/InAlAs). Sygnał nierezonansowy pojawia się nawet w temperaturze pokojowej i urządzenia wykorzystujące ten efekt są już wytwarzane jako produkty komercyjne (np. wielopikselowa kamera THz oparta na krzemowych MOSFETach). Obecnie bada się możliwość spektralnego zwężenia nierezonansowej odpowiedzi tranzystora polowego za pomocą rezonansowych anten. Z drugiej strony, odkryte dotychczas rezonanse plazmowe w sygnale fotonapięcia z tranzystorów polowych okazały się być słabe i widoczne tylko w niskich temperaturach. Aby zrozumieć powody, które stoją za takim wynikiem, zdecydowaliśmy się przygotować próbki przykryte siatką metalicznych pasków o określonym okresie – tj. klasyczny układ, w jakim zaobserwowano plazmony po raz pierwszy w półprzewodnikowym 2DEG – a następnie zmierzyć sygnał PV z takich próbek, gdzie plazmony powinny zachowywać się w dobrze znany sposób. Interesujące było to, jaką odpowiedź w fotonapięciu uzyskuje się w przypadku struktur, w których powinny wzbudzić się, dobrze znane od lat 70. XX w., rezonanse magnetoplazmowe. Dla porównania postanowiono również zbadać struktury referencyjne: nieprzykryte bramką i przykryte bramką jednorodną. Mój obszar badań obejmuje temat detekcji rezonansowej w 2DEG przykrytym i nieprzykrytym bramką. Podstawowym celem mojej pracy była charakteryzacja wzbudzeń plazmy w zależności od takich parametrów, jak pole magnetyczne, częstość promieniowania THz czy napięcie polaryzujące bramkę. Posługując się źródłami monochromatycznego promieniowania THz o przestrajanej częstości, pokrywającymi zakres 0.1–0.7 THz, scharakteryzowano wzbudzenia magnetoplazmowe obserwowane w sygnale detekcji generowanym przez serię różnych próbek. Celem było porównanie wzbudzeń w próbkach z bramkami o różnych geometriach i w próbkach bez bramek. Wyniki te uzupełniono pomiarami wykonanymi z wykorzystaniem pojedynczych linii laserowych z zakresu 1.5–1.8 THz. Wykonano również porównanie wyników otrzymanych przy oświetleniu próbki monochromatycznym i niemonochromatycznym promieniowaniem THz, w celu sprawdzenia, czy detektor daje równoważne wyniki w obu przypadkach. Jest to informacja bardzo istotna w przypadku projektowania detektorów, gdyż, w zależności od potrzeb, mogą one być poddane działaniu obu rodzajów promieniowania. Przeprowadzono także pomiary charakteryzujące zależność częstości magnetoplazmonów od napięcia polaryzującego bramkę oraz od obecności promieniowania widzialnego. Te zależności są bardzo istotne w praktycznym zastosowaniu detektorów THz oraz umożliwiają strojenie rezonansowej częstości detektora. Teoretyczny opis badanych zjawisk jest przedmiotem 1. rozdziału niniejszej pracy. Opis próbek i ich procesu wytworzenia znajduje się w 2. rozdziale. Do najważniejszych faktów należy zaliczyć to, że do wytworzenia próbek wykorzystano heterostrukturę GaAs/AlGaAs o wysokiej ruchliwości elektronów. Wybrana została heterostruktura pochodząca z laboratorium prof. Vladimira Umanskyego z Instytutu Weizmanna w Izraelu. Próbki te charakteryzują się bardzo dużą ruchliwością elektronów, nieosiągalną obecnie w innych materiałach. Heterostruktury na których wytworzono badane w niniejszej pracy próbki, charakteryzował się ruchliwością elektronów ok. 1.5 × 10^6 cm^2/Vs w T = 4 K. Wytworzone próbki miały postać prostokątów o powierzchni ok. 0.06 mm^2 , niektóre z nich zostały przykryte bramką, a inne pozostawiono bez bramki. Bramki miały różne kształty, co pozwalało na lepsze zrozumienie ich wpływu na odpowiedź próbki. Rozdział 3. poświęcony jest opisowi wykorzystanych technik eksperymentalnych. Próbki badane były jako detektory w niskich temperaturach, najczęściej w 4.2 K. Próbka była poddawana działaniu promieniowania THz pochodzącego z szeregu źródeł monochromatycznych, w tym karcinotronu, diody VDI i lasera THz, o częstościach z zakresu 0.1–1.8 THz lub z lampy rtęciowej wykorzystanej w spektrometrze fourierowskim. Próbka była umieszczona w polu magnetycznym o kierunku prostopadłym do jej powierzchni, pomiar sygnału detekcji odbywał się w zależności od wielkości pola magnetycznego. Mierzono odpowiedź próbki będącą fotonapięciem generowanym przez promieniowanie THz pomiędzy dwoma kontaktami prądowymi. W rozdziale 4. opisano wyniki eksperymentów oraz ich interpretację. Pomiar PV wykonany w zależności od pola magnetycznego pokazuje serię maksimów poprzedzających pole magnetyczne odpowiadające rezonansowi cyklotronowemu. Sekwencja pomiarów wykonanych dla różnych częstości promienia THz pokazuje, że maksima przesuwają się w kierunku wyższych pól magnetycznych wraz z rosnącą częstością. Maksima zinterpretowane zostały jako kolejne mody magnetoplazmonu. W badanych próbkach magnetoplazmon może być wzbudzony na dwa sposoby: z wektorem falowym określonym okresem metalicznej siatki albo rozmiarem próbki. Dla większości próbek zaobserwowano drugi rodzaj wzbudzenia plazmy, który można wyobrażać sobie jak fale stojące w rezonatorze. Pokazano, że widoczność wybranej rodziny modów magnetoplazmonów zależy od stosunków ich częstości oraz częstości pobudzającego układ promieniowania. Jest to efekt związany z nakrywaniem się maksimów odpowiadających kolejnym modom rezonansu magnetoplazmowego, w przypadku pomiarów wykonanych dla dostatecznie wysokich częstości promieniowania. Aby uniknąć tego efektu, przyszły detektor promieniowania THz należy projektować w możliwe prosty sposób, bez zbędnych wnęk rezonansowych, w których mogą wzbudzać się plazmony. Komercyjnie dostępne tranzystory mają często skomplikowane kształty, w których znajduje się wiele wnęk rezonansowych dla fal plazmowych. Z kolei, w przypadku urządzeń zawierających metaliczne siatki, rozmiar całego urządzenia musi być odpowiednio duży, aby wzbudzenia plazmy związane z wymiarami urządzenia miały znacząco mniejsze częstości od wzbudzeń związanych z okresem metalizacji. Jeśli założyć dla każdego zaobserwowanego modu wzbudzeń plazmy odpowiadającą mu wartość wektora falowego, można wówczas wyznaczyć relację dyspersyjną plazmonu w szerokim zakresie częstości i wektorów falowych. Relacja dyspersyjna, obserwowanych w eksperymencie wzbudzeń, okazała się być taka sama dla próbek z cienką metalizacją bramki, jak i dla próbek bez bramki. Efekt ten został zinterpretowany jako skutek przezroczystości w zakresie THz cienkich warstw metalizacji (15 nm), z których wykonano bramki. Jednak w przypadku próbek z cienką bramka obserwowany jest wyłącznie co drugi mod, spośród tych obserwowanych w przypadku próbek bez bramki. W próbce o grubej metalizacji bramki, magnetoplazmon wzbudzany jest z dyspersją uwzględniającą ekranowanie 2DEG przez bramkę. Ta różnica w dyspersji plazmonów, w przypadkach próbek z cienką i grubą metalizacją, tłumaczona jest zależnością ekranowania promieniowania THz od grubości metalizacji. Kolejną obserwacją jest obecność w widmach, otrzymanych w szerokim zakresie częstości, maksimum odpowiadającego drugiej harmonicznej rezonansu cyklotronowego. Ten efekt tłumaczony jest jako skutek działania silnego i niejednorodnego w przestrzeni, oscylującego pola elektrycznego, powstającego na krawędziach metalizacji, a w szczególności, na krawędziach bramek. Wykonano także pomiary zależności widma detekcji od napięcia polaryzującego bramkę, pokazujące efekt przesuwania się położeń maksimów rezonansów magnetoplazmowych. Jest to bardzo pożądane zjawisko, pozwalające na sterowanie rezonansową częstością detekcji za pomocą napięcia przyłożonego do bramki FET. Przeprowadzono także eksperyment, w którym położenia maksimów rezonansów magnetoplazmowych przesunięto poprzez oświetlenie próbki światłem widzialnym. Dowiedziono także, że spektroskopia fourierowska pozwala uzyskać wyniki będące w zgodzie z wynikami uzyskanymi za pomocą monochromatycznych źródeł promieniowania pracujących w podobnym zakresie częstości, z dokładnością do faktu, że w eksperymencie fourierowskim obserwowany jest wyłącznie podstawowy mod magnetoplazmonu. Przedstawione wyniki opisują wzbudzenia magnetoplazmowe w próbkach o średnich rozmiarach w zakresie częstości promieniowania od 0.1 do 2.5 THz. Wnioski wynikające z niniejszej pracy mogą pozwolić na zbudowanie detektora promieniowania THz o przestrajalnej częstości rezonansowej, a projekt urządzenia o dobrze rozdzielonych rezonansach magnetoplazmowych przedstawiony jest w podsumowaniu.
My Ph.D. thesis is to devoted to characterization of plasmon excitations in a two-dimensional electron gas (2DEG) exposed to terahertz (THz) radiation at magnetic fields. THz radiation covers a range of the electromagnetic spectrum of the frequency from 0.1 THz to 10.0 THz. This work originates from a wider scientific and engineering movement, started in 1990s, aiming at building an efficient and voltage-tunable semiconductor detector of THz radiation based on plasmon excitations. Properties of materials at THz frequencies, like transparency or characteristic emission or absorption lines, make potential applications of THz radiation very promising. Beside imaging, THz radiation could be used in a high speed wireless communication. Because of multiple potential applications, research on THz devices was very intense in the recent years, which led to a huge technical development. For instance, there is now a commercial THz multipixel camera available. The inspiration of this work were papers published by M. Dyakonov and M. Shur showing that a field-effect transistor (FET) subject to THz radiation might produce a voltage drop between its two current-supplying contacts. Such a voltage drop is called a photovoltage (PV). This effect is explained as a result of a current instability caused by a plasma wave amplification at transistor’s boundaries. Dyakonov and Shur predicted that a FET should respond to THz radiation at resonant frequencies, defined by its dimensions—they were expecting that a FET channel acts as a resonant cavity for plasma waves. It was not a new idea, since plasmons in a 2DEG of a finite size were observed for the first time in 1976. However, before the Dyakonov-Shur model, no resonant photovoltage signal in a FET was predicted. Moreover, Dyakonov and Shur expected that common FETs can be used as THz detectors. Resonant plasmon frequencies, expected for nanometer devices were predicted to fall into the THz range. Beside a resonant signal, a wide-frequency non-resonant PV signal was also predicted, when the electron mobility was not high enough. In the Dyakonov-Shur theory, a FET could act both as a detector and an emitter of THz radiation. However, emission observed to the day from FETs is too weak to be used as a THz source. Another obstacle is the necessity to use cryogenic temperatures. Because of that, a FET THz emitter is currently loosing with other commercial THz sources, like quantum cascade laser, which are more efficient. A nonresonant detection was found in many types of FETs, including silicon MOSFETs and HEMTs based on different materials, like GaN/AlGaN, GaAs/AlGaAs and InGaAs/InAlAs. Non-resonant signal is observed even at room temperature and devices using this effect are currently being produced commercially (for example, a multipixel camera based on silicon MOSFETs). The current research considers, in particular, a spectral narrowing of a PV signal by using resonant antennas. On the other hand, plasma resonances were found experimentally in FETs PV signal, but proved to be weak and available only at cryogenic temperatures. To understand the reason behind this result, we decided to prepare samples covered with periodic stripes of metallization, called a grid-gate—a classical system where plasmons were first observed in a semiconductor-based 2DEG—and to measure a PV signal on such structures, where plasmons should behave in already known manner. We decided to prepare also reference samples without a gate and with an uniform gate. My field of research concerned the resonant detection in gated and ungated 2DEG. The basic task of my research was to characterize plasma excitations with a set of parameters like: magnetic field, THz radiation frequency or gate voltage bias. This was done on different samples with the use of tunable monochromatic THz sources, covering the range of 0.1–0.7 THz. One of goals was to compare PV spectra on samples of different gate shapes and without a gate. These results were extended using a few THz laser lines from the range of 1.5–1.8 THz. Additionally, we compared results obtained with monochromatic THz sources and with a wide-range nonmonochromatic THz source (Fourier spectroscopy), in order to check, whether these results are in an agreement. This an important information, since a detector can work both with monochromatic or wide spectral range THz illuminations. We characterised plasmon resonances as a function of a gate bias, as well as under an influence of visible radiation illumination. These results are of a practical importance and both can be used to tune resonant plasmon frequency in a detector. The theoretical background is the subject of the 1st chapter of my Ph.D. dissertation. The process of samples’ preparation and their description is the main topic of the 2nd chapter. Crucial points here are that we used a high-electron-mobility GaAs/AlGaAs heterostructure, produced by Vladimir Umansky at the Weizmann Institute of Science, Rehevot, Israel. These samples show a very high electron mobility, unavailable in other materials, reaching in used wafers approximately 1.5 × 10^6 cm^2/Vs at T = 4 K. Fabricated samples were, in most cases, mid-sized (0.06 mm^2 ), rectangular mesas of a 2DEG, some covered with a gate, some left ungated. The gates were of different forms and geometries helping to understand their influence on a response of a sample. In the 3rd chapter, experimental techniques are explained in detail. An examined sample was used as a THz radiation detector in cryogenic temperatures, typically at 4.2 K. The sample was subject to a THz radiation emitted by a variety of monochromatic sources, including a back-wave oscillator, Virginia Diodes sources and a THz laser, covering the range of 0.1–1.8 THz or a mercury-vapor lamp used with a Fourier spectrometer. The magnetic field was perpendicular to a sample surface, and typically a response signal of the sample was measured as a function of magnetic field. The response signal was a PV generated between two current-supplying contacts of a sample. In the 4th chapter, experimental results and their interpretation are presented. Photovoltage measurements, performed as a function of magnetic field, show a series of maxima preceding the cyclotron resonance magnetic field. A sequence of such measurements, made at different frequencies of the incident THz radiation, shows that maxima move towards higher magnetic field with increasing radiation frequency. Maxima were interpreted as subsequent modes of a magnetoplasmon excitation. A magnetoplasmon might be excited in two ways: either due to a periodicity of a grid-gate or due to a finite size of a sample. In most of samples, we have observed the latter type of a magnetoplasmon, which might be imagined as a standing wave in a resonator. It was shown that an observability of a particular type of magnetoplasmon mode depends on ratios of frequencies of the two types of resonances and the frequency of the radiation. This effect is a result of overlapping magnetoplasmon maxima at high radiation frequencies. In order to avoid this effect, a designed detector must have a 2DEG shape as simple as possible, without unnecessary cavities in which plasmon resonances might be excited. Commercially available FETs usually show very complicated shapes with multiple plasmon cavities. In the case of grid-gated devices, the size of the overall 2DEG channel must be considerably larger than the grid-gate period. In such conditions, frequencies of plasmon resonances defined by a 2DEG mesa size are much smaller than these connected with the grid-gate period. When a wave vector is ascribed to every observed plasmon mode, it is possible to determine a dispersion relation of a plasma wave in a wide range of frequencies and wave vectors. The dispersion relation of the observed excitation was found to be the same in ungated samples and samples with thin matallization of gates. This effect was explained as a result of THz transparency of thin (15 nm) metallic layers forming gates. However, every second mode is absent in the case of thin-gated samples. In the sample with a thick metallization of the gate, the magnetoplasmon was excited with dispersion showing an influence of a screening of the 2DEG by the gate. We explain this difference as an effect of a different efficiency of a THz screening with a metal layer in cases of thick and thin gates. Another observation is a maximum in spectra obtained in a wide range of excitation frequencies coinciding with the second harmonic of the cyclotron resonance. We explain this observation as a result of a strong, nonuniform, oscillating electric field generated by an incoming THz radiation at edges of metallic objects, in particular at edges of a gate. The influence of the gate voltage was studied, showing shifts of magnetoplasmon maxima with the gate bias. Such a shift is a desired effect, allowing for a control of a resonant detection frequency with a bias applied to a FET’s gate. In another experiment, magnetoplasmon maxima were shifted under a visible radiation illumination. Finally, it was shown, that a Fourier spectroscopy gives results in agreement with the results obtained with monochromatic radiation sources working in the same spectral range. However, only the fundamental magnetoplasmon mode is observed in the Fourier spectroscopy experiment. Presented research characterized magnetoplasmon resonances in mid-sized samples in a range of radiation frequencies of 0.1–2.5 THz. Research presented in the thesis might allow to build sensitive and frequency-tunable detectors, and a possible device, with well-resolved plasmon resonances, is proposed in the concluding chapter.