Двумерный электронный газ

Двумерный электронный газ ( 2DEG ) является научной моделью в физике твердого тела . Это электронный газ, который может свободно двигаться в двух измерениях, но плотно ограничен в третьем. Это жесткое ограничение приводит к квантованным уровням энергии для движения в третьем направлении, которые затем можно игнорировать для большинства проблем. Таким образом, электроны кажутся двумерным листом, встроенным в трехмерный мир. Аналогичная конструкция дырок называется двумерным дырочным газом (2DHG), и такие системы обладают множеством полезных и интересных свойств.

Реализации [ править ]

В полевых МОП-транзисторах 2DEG присутствует только тогда, когда транзистор находится в режиме инверсии, и находится непосредственно под оксидом затвора.

Диаграмма краев ленты базового HEMT. Край зоны проводимости E _C и уровень Ферми E _F определяют концентрацию электронов в 2DEG. Квантованные уровни образуют в треугольной скважине (желтой области) и оптимально только один из них лежит ниже E _F .

Гетероструктура, соответствующая диаграмме краев зоны выше.

Большинство 2DEG находятся в структурах типа транзисторов, сделанных из полупроводников . Наиболее часто встречающихся 2DEG представляет собой слой электронов , найденных в полевых МОП - транзисторов (металл-оксид-полупроводник полевых транзисторов ). Когда транзистор находится в режиме инверсии , электроны под оксидом затвора ограничиваются границей раздела полупроводник-оксид и, таким образом, занимают четко определенные уровни энергии. Для достаточно тонких потенциальных ям и не слишком высоких температур занят только самый нижний уровень(см. подпись к рисунку), поэтому движением электронов перпендикулярно границе раздела можно пренебречь. Однако электрон может свободно двигаться параллельно границе раздела, поэтому он квазидвумерен.

Другими методами проектирования 2DEG являются транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и прямоугольные квантовые ямы . HEMT - это полевые транзисторы , в которых используется гетеропереход между двумя полупроводниковыми материалами для удержания электронов в треугольной квантовой яме . Электроны, ограниченные гетеропереходом HEMT, демонстрируют более высокую подвижность, чем электроны в MOSFET, поскольку первое устройство использует намеренно нелегированный канал, тем самым смягчая вредное влияние рассеяния ионизованных примесей.. Два близко расположенных интерфейса гетероперехода можно использовать для удержания электронов в прямоугольной квантовой яме. Тщательный выбор материалов и составов сплавов позволяет контролировать плотность носителей в 2DEG.

Электроны также могут удерживаться на поверхности материала. Например, свободные электроны будут плавать на поверхности жидкого гелия и свободно перемещаться по поверхности, но прилипать к гелию; некоторые из самых ранних работ в 2DEG были выполнены с использованием этой системы. ^[1] Помимо жидкого гелия, существуют также твердые изоляторы (например, топологические изоляторы ), которые поддерживают проводящие поверхностные электронные состояния.

Недавно были разработаны твердые материалы с атомарной тонкостью ( графен , а также дихалькогениды металлов, такие как дисульфид молибдена ), в которых электроны ограничены в крайней степени. Двумерная электронная система в графене может быть настроена либо на 2DEG, либо на 2DHG (двумерный дырочный газ) с помощью стробирования или химического легирования . Это стало темой текущих исследований из-за разнообразных (некоторые из существующих, но в основном предполагаемых) приложений графена. ^[2]

Отдельным классом гетероструктур, в которых могут находиться ДЭГ, являются оксиды. Хотя обе стороны гетероструктуры являются изоляторами, 2DEG на границе раздела может возникнуть даже без легирования (что является обычным подходом в полупроводниках). Типичным примером является гетероструктура ZnO / ZnMgO. ^[3] Дополнительные примеры можно найти в недавнем обзоре ^[4] в том числе заметных открытий 2004 года, 2МЭГ на LaAlO 3 / SrTiO 3 интерфейса ^[5] , который становится сверхпроводящим при низких температурах. Происхождение этого 2DEG до сих пор неизвестно, но оно может быть похоже на модуляционное легирование в полупроводниках, где кислородные вакансии, индуцированные электрическим полем, действуют как легирующие примеси.

Эксперименты [ править ]

Были проведены значительные исследования с участием 2DEG и 2DHG, и многие из них продолжаются по сей день. 2DEG представляют собой зрелую систему электронов с чрезвычайно высокой подвижностью , особенно при низких температурах. При охлаждении до 4 К 2DEG могут иметь подвижность порядка 1 000 000 см ² / В · с, а более низкие температуры могут привести к дальнейшему увеличению статического давления . Были изготовлены специально выращенные современные гетероструктуры с подвижностью около 30 000 000 см ² / (В · с). ^[6] Эти огромные подвижности представляют собой испытательный полигон для изучения фундаментальной физики, поскольку помимо ограничения и эффективной массы${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle \ mu}$электроны не очень часто взаимодействуют с полупроводником, иногда перемещаясь на несколько микрометров перед столкновением; эту так называемую длину свободного пробега можно оценить в приближении параболической зоны как${\ displaystyle \ ell}$

${\displaystyle \ell =v_{\rm {F}}\tau ={\sqrt {2\pi n}}{\frac {\hbar \mu }{e}}\approx 5.2\ \mu \mathrm {m} \times \mu \ [10^{6}\ \mathrm {cm^{2}/Vs} ]{\sqrt {n\ [10^{11}\ \mathrm {cm^{-2}} ]}}}$

где - концентрация электронов в ДЭГ. Обратите внимание, что обычно зависит от . ^[7] Подвижность систем 2DHG меньше, чем у большинства систем 2DEG, отчасти из-за большей эффективной массы дырок (несколько 1000 см ² / (В · с) уже можно считать высокой подвижностью ^[8] ).${\displaystyle n}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle n}$

Помимо того, что они присутствуют практически в каждом полупроводниковом устройстве, используемом сегодня, двумерные системы открывают доступ к интересной физике. Квантовый эффект Холла впервые был обнаружен в 2DEG, ^[9] , которые привели к двум Нобелевских премий по физике , по Клаус фон Клитцинга в 1985 году, ^[10] и Роберт Б. Лафлин , Хорст L. Stormer и Daniel C. Tsui в 1998. ^[11] Спектр 2DEG (двумерной сверхрешетки ) с латеральной модуляцией, подверженный действию магнитного поля B, может быть представлен как бабочка Хофштадтера , фрактальная структура в энергии vsГрафик B , признаки которого наблюдались в транспортных экспериментах. ^[12] Было изучено еще много интересных явлений, относящихся к 2DEG. [A]

Сноски [ править ]

• A. Примеры более физики 2DEG. Недавно был продемонстрирован полный контроль спиновой поляризации 2DEG . ^[13] Возможно, это может иметь отношение к квантовым информационным технологиям . Вигнеровская кристаллизация в магнитном поле. Осцилляции магнитосопротивления, вызванные микроволновым излучением, открытые RG Mani et al. ^[14] Возможность существования неабелевых квазичастиц в дробном квантовом эффекте Холла при факторе заполнения 5/2.

Дальнейшее чтение [ править ]

• Weisbuch, C .; Винтер, Б. (1991). Квантовые полупроводниковые структуры: основы и приложения . Академическая пресса . ISBN 0-12-742680-9.
• Дэвис, Дж. Х (1997). Физика низкоразмерных полупроводников: Введение . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-48148-1.

Ссылки [ править ]