Abstract
在紅外線感測器的發展過程中，一直缺乏能夠有效率的偵測遠紅外線波段的感測器，尤其是在波長100μm以上，想要製作高感度的感測器格外不容易，而量子霍爾遠紅外線感測器，是滿足此波段難得的高感度、高探測率的感測器。 GaAs/AlxGa1-xAs異質結構中的二維電子氣體是第一個作為量子霍爾遠紅外線感測器的材料，它在低溫、強磁場下形成的整數量子霍爾效應(integer quantum Hall effect)系統對遠紅外線的吸收，是作為探測遠紅外線的基本原理。在強磁場中，GaAs/AlxGa1-xAs異質結構的二維電子的能階為量子化之藍道能階(Landau levels)，其藍道能階能量間隔在磁場7T(Tesla)時約為10meV，相當於100μm遠紅外線的光子能量，因此電子能夠有效率地被遠紅外線所激發。電子吸收紅外線被激發，電荷平衡過程中，系統溫度上升導致電阻變化，稱為輻射熱(Bolometric)效應。因此，操作量子霍爾感測器感測遠紅外線時，可以透過量測縱向磁阻變化測得，光反應發生最大為磁場值接近藍道能階接近整數填滿的整數量子霍爾效應區間。 以往對於量子霍爾感測器的研究多操作在極低溫(1.5K-4.2K)的情況。然而，從紅外線感測器的立場來看，如果能夠將它操作在較高溫度，找出操作的最高溫度並提升它，將使得它更有應用的價值。為了瞭解這點，我們設計、製作了能夠控制操作溫度的探測棒來結合4He低溫恆溫器的超導磁鐵，用以量測量子霍爾感測器光反應與溫度的關係。 在我們的實驗中，成功量測到紅外線對量子霍爾感測器在藍道能階填滿數目(Filling factor, ν) ν=2及ν=4的區間造成縱向磁阻變化。在各區間縱向磁阻變化的峰值以藍道能階整數填滿的磁場值為分界，呈現兩個峰值的雙峰的形狀。在變溫實驗中，樣品受紅外線照設後，在各整數填滿區間量測到的縱向磁阻變化大小皆隨著操作溫度的上升而減小；在ν=2區間光反應大小最大值出現在4.2K左右，在較大整數填滿(ν=4)的區間光反應大小則隨著溫度降低而增加。從實驗結果來看，感測器可操作的最高溫度對ν=2區間為10K，ν=4區間為8.5K。同時由量測的結果中觀察到輻射熱效應中的“縱向磁阻對溫度的微分(dRxx/dT)”隨著溫度上升而減小，此外以往的研究中指出溫度上升會使得光反應的“鬆弛時間(τ)”快速減小，因此我們認為其在高溫的表現受到了輻射熱效應中的因子減小的限制，導致縱向磁阻變化減小。