Gas de electrones bidimensionales
Un gas de electrones bidimensionales ( 2DEG ) es un modelo científico en física del estado sólido . Es un gas de electrones que se puede mover libremente en dos dimensiones, pero estrechamente confinado en la tercera. Este estrecho confinamiento conduce a niveles de energía cuantificados para el movimiento en la tercera dirección, que luego pueden ignorarse para la mayoría de los problemas. Por tanto, los electrones parecen ser una hoja 2D incrustada en un mundo 3D. La construcción análoga de los agujeros se denomina gas de agujero bidimensional (2DHG), y tales sistemas tienen muchas propiedades útiles e interesantes.
La mayoría de los 2DEG se encuentran en estructuras similares a transistores hechas de semiconductores . El 2DEG que se encuentra con más frecuencia es la capa de electrones que se encuentran en los MOSFET ( transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico ). Cuando el transistor está en modo de inversión , los electrones debajo del óxido de la puerta están confinados a la interfaz semiconductor-óxido y, por lo tanto, ocupan niveles de energía bien definidos. Para pozos potenciales lo suficientemente delgados y temperaturas no demasiado altas, solo se ocupa el nivel más bajo(ver la leyenda de la figura), por lo que se puede ignorar el movimiento de los electrones perpendiculares a la interfaz. Sin embargo, el electrón puede moverse libremente en paralelo a la interfaz, por lo que es casi bidimensional.
Otros métodos para diseñar 2DEG son transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) y pozos cuánticos rectangulares . Los HEMT son transistores de efecto de campo que utilizan la heterounión entre dos materiales semiconductores para confinar electrones a un pozo cuántico triangular . Los electrones confinados a la heterounión de los HEMT exhiben mayor movilidad que los de los MOSFET, ya que el primer dispositivo utiliza un canal no dopado intencionalmente , lo que mitiga el efecto deletéreo de la dispersión de impurezas ionizadas.. Se pueden usar dos interfaces de heterounión estrechamente espaciadas para confinar electrones a un pozo cuántico rectangular. La elección cuidadosa de los materiales y las composiciones de la aleación permite el control de las densidades de los portadores dentro del 2DEG.
Los electrones también pueden estar confinados a la superficie de un material. Por ejemplo, los electrones libres flotarán en la superficie del helio líquido y podrán moverse libremente a lo largo de la superficie, pero se adhieren al helio; Algunos de los primeros trabajos en 2DEG se realizaron utilizando este sistema. [1] Además del helio líquido, también existen aislantes sólidos (como los aislantes topológicos ) que soportan estados electrónicos de superficies conductoras.
Recientemente, se han desarrollado materiales sólidos atómicamente delgados ( grafeno , así como dicalcogenuro metálico como el disulfuro de molibdeno ) donde los electrones están confinados en un grado extremo. El sistema de electrones bidimensionales en el grafeno se puede sintonizar con 2DEG o 2DHG (gas de orificio 2-D) mediante activación de puerta o dopaje químico . Este ha sido un tema de investigación actual debido a las aplicaciones versátiles (algunas existentes pero en su mayoría previstas) del grafeno. [2]
Una clase separada de heteroestructuras que pueden albergar 2DEG son los óxidos. Aunque ambos lados de la heteroestructura son aislantes, el 2DEG en la interfaz puede surgir incluso sin dopaje (que es el enfoque habitual en semiconductores). Un ejemplo típico es una heteroestructura de ZnO / ZnMgO. [3] Más ejemplos se pueden encontrar en una revisión reciente [4] que incluye un descubrimiento notable de 2004, un 2DEG en el Laalo 3 / SrTiO 3 interfaz [5] que se convierte en superconductor a temperaturas bajas. El origen de este 2DEG aún se desconoce, pero puede ser similar al dopaje por modulación en semiconductores, con vacantes de oxígeno inducidas por campos eléctricos que actúan como dopantes.
