gás de elétrons bidimensional - Two-dimensional electron gas

Um gás de electrões bidimensional ( 2DEG ) é um modelo científico em física do estado sólido . É um gás de electrões que é livre de se mover em duas dimensões, mas estreitamente confinado no terceiro. Este confinamento apertado leva a quantizados níveis de energia para o movimento na terceira direção, que pode, então, ser ignorado para a maioria dos problemas. Assim, os elétrons parecem ser uma folha 2D incorporado em um mundo 3D. A construo de análogo de furos é chamado um gás furo bidimensional (2DHG), e tais sistemas têm muitas propriedades úteis e interessantes.

Realizações de 2DEG

Em MOSFETs, o 2DEG só está presente quando o transistor está no modo de inversão, e encontra-se directamente por baixo do óxido de porta.

Diagrama de extremidade da banda de um HEMT básico. Limite de banda de condução E _C e nível de Fermi E _F determinar a densidade de electrões no 2DEG. Níveis quantificados em formar bem triangular (região amarelo) o e optimamente apenas um deles se encontra abaixo de E _F .

Heterostructure correspondente para o diagrama de extremidade da banda acima.

A maioria 2DEG são encontrados em transistor -como estruturas feitas de semicondutores . O 2DEG mais comumente encontrado é a camada de elétrons encontrados em MOSFETs . Quando o transístor está em modo de inversão , os electrões por baixo do óxido de porta estão confinados à interface de óxido semicondutor, e assim ocupar os níveis de energia bem definidos. Para poços e as temperaturas não muito elevadas potenciais finas-suficiente, apenas o nível mais baixo é ocupado (ver a legenda da figura), e de modo que o movimento dos electrões perpendicular à interface pode ser ignorado. No entanto, o electrão é livre para se mover em paralelo à interface, e, portanto, está quase-bidimensional.

Outros métodos para 2DEGs engenharia são altos-elétron-mobilidade de transistores (HEMTs) e retangulares poços quânticos . HEMTs são transistores de efeito de campo que utilizam o heterojunction entre dois materiais semicondutores para confinar elétrons para um triangular poço quântico . Elétrons confinados ao heterojuno de HEMTs exibem maiores mobilidades do que aqueles em MOSFETs, uma vez que o dispositivo anterior utiliza um intencionalmente canal não dopado diminuindo assim o efeito deletério de espalhamento impureza ionizado . Duas interfaces heterojunção espaçados podem ser utilizadas para limitar electrões para um quantum rectangular bem. Uma escolha cuidadosa dos materiais e composições de ligas permitem o controlo das densidades de substrato, no interior do 2DEG.

Electrões pode também ser confinada à superfície de um material. Por exemplo, os electrões livres vão flutuar na superfície de hélio líquido , e são livres para se moverem ao longo da superfície, mas manter o hélio; alguns dos primeiros trabalhos em 2DEGs foi feito usando este sistema. Além hélio líquido, também há isoladores sólidos (tais como isoladores topológicos ) que suportam estados electrónicos superfície condutora.

Recentemente, os materiais sólidos atomicamente finas têm sido desenvolvidos ( grafeno , bem como dichalcogenide metal, tal como dissulfureto de molibdénio ) em que os electrões estão confinados a um grau extremo. O sistema de electrões bidimensional em grafeno pode ser ajustado para qualquer um ou 2DEG 2DHG (2-D gás buraco) por gating ou química dopagem . Este tem sido um tema de pesquisa atual, devido à versátil (algumas já existentes, mas principalmente previstas) aplicações do grafeno.

Uma classe distinta de heteroestrutura que podem acolher 2DEGs são óxidos. Apesar de ambos os lados do heterostrutura são isoladores, a 2DEG na interface pode realizar-se mesmo sem dopagem (que é a abordagem habitual em semicondutores). Um exemplo típico é uma heterostrutura ZnO / ZnMgO. Mais exemplos podem ser encontrados em uma revisão recente, incluindo uma descoberta notável de 2004, um 2DEG no LaAlO ₃ / SrTiO ₃ de interface que se torna supercondutor a baixas temperaturas. A origem deste 2DEG ainda é desconhecido, mas pode ser semelhante à modulação dopagem em semicondutores, com vazios de oxigénio induzido-eléctrica-campo que actuam como os dopantes.

experimentos

Pesquisa considerável envolvendo 2DEGs e 2DHGs tem sido feito, e muito continua até hoje. 2DEGs oferecer um sistema maduro de altíssima mobilidade elétrons, especialmente a baixas temperaturas. Quando arrefecida a 4 K, 2DEGs pode ter mobilidades da ordem de um milhão centimetros ² / Vs e temperaturas mais baixas pode levar a aumento de ainda. Especialmente cultivadas, o estado da arte heteroestrutura com mobilidades em torno 30000000 centímetros ² / (V-s) foram feitas. Estas enormes mobilidades oferecer uma cama de teste para explorar física fundamental, pois além de confinamento e massa efetiva , os elétrons não interagem com o de semicondutores, muitas vezes, às vezes viajando vários micrômetros antes de colidir; este assim chamado caminho livre médio pode ser estimado na aproximação banda parabólica como ${\ Displaystyle \ mu}$${\ Displaystyle \ mu}$${\ Displaystyle \ ell}$

${\ Displaystyle \ ell = v _ {\ rm {F}} \ tau = {\ sqrt {2 \ pi n}} {\ frac {\ hbar \ mu} {e}} \ aproximadamente 5,2 \ \ mu \ mathrm {m } \ vezes \ mu \ [10 ^ {6} \ \ mathrm {cm ^ {2} / Vs}] {\ sqrt {n \ [10 ^ {11} \ \ mathrm {cm ^ {- 2}}]} }}$

onde representa a densidade de electrões no 2DEG. Note que normalmente depende . Mobilidades dos sistemas 2DHG são menores do que os da maior parte dos sistemas 2DEG, em parte devido a maiores massas eficazes de furos (alguns 1,000 centímetros ² / (V-s) já pode ser considerada alta mobilidade). ${\ N} displaystyle$${\ Displaystyle \ mu}$${\ N} displaystyle$

Além de ser em praticamente todos os dispositivos semicondutores em uso hoje, dois sistemas dimensionais permitem o acesso a física interessante. O efeito Hall quântico foi observado pela primeira vez numa 2DEG, o que levou a duas prémios Nobel em física , de Klaus von Klitzing em 1985, e de Robert B. Laughlin , Horst L. Störmer e Daniel C. Tsui em 1998. Espectro de um lateralmente modulada 2DEG (um bidimensional superrede ) sujeitos ao campo magnético B pode ser representada como a borboleta de Hofstadter , uma estrutura fractal na energia vs B trama, assinaturas dos quais foram observadas em experiências de transporte. Muitos fenômenos mais interessantes referentes a 2DEG foram estudados. [UMA]

notas de rodapé

• A. Exemplos de mais 2DEG física. Controle total do 2DEG polarização do spin foi recentemente demonstrado. Possivelmente, isso pode ser relevante para a tecnologia da informação quântica . Wigner cristalização no campo magnético. Oscilações magnetoresistência induzida por microondas descobertos por RG Mani et al. Possível existência de quasiparticles não-abelianos no efeito Hall quântico fracionário a preencher fator 5/2.

Outras leituras

• Weisbuch, C .; Vinter, B. (1991). Estruturas Quantum semicondutores: Fundamentos e Aplicações . Academic Press . ISBN  0-12-742680-9 .
• Davies, JH (1997). A Física de Semicondutores de baixa dimensionalidade: Uma Introdução . Cambridge University Press . ISBN  0-521-48148-1 .

Referências