Pressure- and temperature-driven phase transitions in HgTe quantum wells

Abstract

We present theoretical investigations of pressure and temperature driven phase transitions in HgTe quantum wells grown on CdTe buffer. Using the 8-band k·p Hamiltonian we calculate evolution of energy band structure at different quantum well width with hydrostatic pressure up to 20 kBar and temperature ranging up 300 K. In particular, we show that in addition to temperature, tuning of hydrostatic pressure allows to drive transitions between semimetal, band insulator and topological insulator phases. Our realistic band structure calculations reveal that the band inversion under hydrostatic pressure and temperature may be accompanied by non-local overlapping between conduction and valence bands. The pressure and temperature phase diagrams are presented.

Зонный спектр в гетероструктурах HgTe/CdHgTe p-типа и его перестройка с изменением температуры

“…Последнее открывает допол-нительные возможности для создания перспективных " топологических" приборов, работающих с использова-нием краевых каналов проводимости [19]. К настоящему времени теоретически рассматривались возможности осуществления фазового перехода в КЯ HgTe/CdHgTe между состояниями тривиального и топологического изоляторов с помощью внешнего электрического по-ля [20,21], температуры [10,21,22] и давления [22]. Экс-периментально качественное изменение зонного спектра и наличие такого перехода при изменении темпера-туры впервые было продемонстрировано с помощью транспортных [10] и магнитооптических измерений [23].…”

“…5) и удовлетворительное 1 Эта величина совпадает с шириной запрещенной зоны в образце 1 с нормальным зонным спектром, так как он является прямозонным. Образец 2 является непрямозонным, поскольку боковой максимум валентной зоны лежит выше по энергии (см., например, [18,22]). для образца 2 (рис.…”

“…5 и 6 вид зависимостей энер-гетического зазора между валентной зоной и зоной проводимости в точке k = 0 принципиально отличается для структур с нормальным и инвертированным зонным спектром. Как показано в работах [10,22], основное влияние температура оказывает на положение подзоны E1 -с ростом температуры энергия подзоны в точке k = 0 увеличивается. В образцах с нормальным зонным спектром это просто приводит к увеличению ширины запрещенной зоны.…”

“…В образцах же с инвертированным зонным спектром, в которых подзона E1 изначально лежит ниже подзоны HH1, увеличение температуры приводит к уменьшению разности энергий между подзо-нами E1 и HH1 при k = 0, а затем и к переходу от инвер-тированного спектра к нормальному при некоторой кри-тической температуре T c . Для образца 2 значение этой температуры составляет около 85 K, что очень близко к значению 90 K, экспериментально определенного в работе [22] для образца со схожими параметрами.…”

Активационная проводимость в квантовых ямах HgTe/CdHgTe при целочисленных факторах заполнения уровней Ландау: роль случайного потенциала

“…3, 4). Расчeты проводились в одноэлектронном приближении с использованием 8-зонного k · p гамиль-тониана Кейна, с учeтом слагаемых, описывающих вли-яние эффектов упругой деформации на энергетический спектр (см., например, [41]). Результаты расчета уровней Ландау для образца 091222 представлены на рис.…”