Двумерный электронный газ

Двумерный электронный газ ( 2DEG ) — научная модель в физике твердого тела . Это электронный газ , который может свободно перемещаться в двух измерениях, но плотно ограничен в третьем. Это жесткое ограничение приводит к квантованию уровней энергии для движения в третьем направлении, которое затем можно игнорировать в большинстве задач. Таким образом, электроны кажутся двумерным листом, погруженным в трехмерный мир. Аналогичная конструкция дырок называется двумерным дырочным газом (2ДГГ), и такие системы обладают многими полезными и интересными свойствами.

Реализации

Большинство 2DEG встречаются в транзистороподобных структурах, изготовленных из полупроводников . Наиболее часто встречающийся 2DEG — это слой электронов, обнаруженный в MOSFET ( полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник ). Когда транзистор находится в режиме инверсии , электроны под оксидом затвора ограничиваются границей раздела полупроводник-оксид и, таким образом, занимают четко определенные энергетические уровни. Для достаточно тонких потенциальных ям и не слишком высоких температур занят только самый нижний уровень (см. подпись к рисунку), поэтому движением электронов, перпендикулярным границе раздела, можно пренебречь. Однако электрон может свободно двигаться параллельно границе раздела и поэтому является квазидвумерным.

Другими методами создания 2DEG являются транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и прямоугольные квантовые ямы . HEMT — это полевые транзисторы , которые используют гетеропереход между двумя полупроводниковыми материалами для удержания электронов в треугольной квантовой яме . Электроны, удерживаемые гетеропереходом HEMT, обладают более высокой подвижностью , чем электроны в MOSFET, поскольку в первом устройстве используется намеренно нелегированный канал , тем самым смягчая вредный эффект рассеяния на ионизированных примесях . Два близко расположенных интерфейса гетероперехода могут использоваться для удержания электронов в прямоугольной квантовой яме. Тщательный выбор материалов и состава сплавов позволяет контролировать плотность носителей в 2DEG.

Электроны также могут удерживаться на поверхности материала. Например, свободные электроны плавают на поверхности жидкого гелия и могут свободно перемещаться по поверхности, но прилипают к гелию; некоторые из самых ранних работ по 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 атомно-тонкие твердые материалы ( графен , а также дихалькогениды металлов, такие как дисульфид молибдена ), в которых электроны удерживаются в чрезвычайной степени. Двумерная электронная система в графене может быть настроена либо на 2DEG, либо на 2DHG (двумерный дырочный газ) путем вентилирования или химического легирования . Это стало темой текущих исследований из-за универсальных (некоторые существующих, но в основном предполагаемых) применений графена. ^[2]

Отдельным классом гетероструктур, в которых могут находиться 2ДЭГ, являются оксиды. Хотя обе стороны гетероструктуры являются изоляторами, ДЭГ 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] , включая заметное открытие 2004 года — 2DEG на границе раздела LaAlO ₃ /SrTiO ₃^[5] , который становится сверхпроводящим при низких температурах. Происхождение этого 2DEG до сих пор неизвестно, но оно может быть похоже на модуляционное легирование полупроводников, где кислородные вакансии, индуцированные электрическим полем, действуют как легирующие примеси.

Эксперименты

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 2ДЭГ могут иметь подвижность порядка 1 000 000 см ² /Вс, а более низкие температуры могут привести к дальнейшему увеличению неподвижности. Были изготовлены специально выращенные современные гетероструктуры с подвижностью около 30 000 000 см ^{2 /(В·с).}^[6] Эти огромные подвижности представляют собой испытательный стенд для изучения фундаментальной физики, поскольку, помимо удержания и эффективной массы , электроны не очень часто взаимодействуют с полупроводником, иногда преодолевая несколько микрометров перед столкновением; эту так называемую среднюю длину свободного пробега можно оценить в приближении параболической ленты как $\mu$ $\mu$ $\ell$

\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 – плотность электронов в 2ДЭГ. Обратите внимание, что обычно это зависит от . ^[7] Подвижности систем 2DHG меньше, чем у большинства систем 2DEG, отчасти из-за больших эффективных масс дырок (несколько 1000 см ² /(В·с) уже можно считать высокой подвижностью ^[8] ). $п$ $\mu$ $п$

Помимо того, что двумерные системы присутствуют практически в каждом полупроводниковом устройстве, используемом сегодня, они открывают доступ к интересной физике. Квантовый эффект Холла был впервые обнаружен в 2DEG ^[9] , что привело к получению двух Нобелевских премий по физике : Клауса фон Клитцинга в 1985 году, ^[10] и Роберта Б. Лафлина , Хорста Л. Штермера и Дэниела К. Цуи в 1998. ^[11] Спектр латерально модулированной 2DEG (двумерной сверхрешетки ), подверженной воздействию магнитного поля B, можно представить как бабочку Хофштадтера , фрактальную структуру на графике зависимости энергии от B , признаки которой наблюдались в транспортных экспериментах. ^[12] Было изучено еще много интересных явлений, связанных с 2DEG.[A]

Смотрите также

Двумерный газ

Сноски

А. Примеры физики 2DEG. Был продемонстрирован полный контроль спиновой поляризации 2DEG . ^[13] Возможно, это может иметь отношение к квантовым информационным технологиям . Вигнеровская кристаллизация в магнитном поле. Колебания магнитосопротивления, вызванные микроволновым излучением, открытые Р.Г. Мани и др. ^[14] Возможное существование неабелевых квазичастиц в дробном квантовом эффекте Холла при факторе заполнения 5/2.

дальнейшее чтение