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 lo 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.
Realizaciones
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 encuentra 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 de potencial 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 , mitigando así 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 controlar 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 del grafeno se puede sintonizar con 2DEG o 2DHG (gas de orificio 2-D) mediante control de puerta o dopado 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.
Experimentos
Se ha realizado una investigación considerable que involucra 2DEG y 2DHG, y muchas cosas continúan hasta el día de hoy. Los 2DEG ofrecen un sistema maduro de electrones de movilidad extremadamente alta , especialmente a bajas temperaturas. Cuando se enfría a 4 K, los 2DEG pueden tener movilidaddel orden de 1.000.000 cm 2 / Vs y temperaturas más bajas pueden conducir a un mayor aumento detodavía. Se han realizado heteroestructuras de vanguardia especialmente cultivadas con movilidades de alrededor de 30.000.000 cm 2 / (V · s). [6] Estas enormes movilidades ofrecen un banco de pruebas para explorar la física fundamental, ya que además del confinamiento y la masa efectiva , los electrones no interactúan con el semiconductor muy a menudo, a veces viajando varios micrómetros antes de colisionar; este llamado camino libre medio se puede estimar en la aproximación de banda parabólica como
dónde es la densidad de electrones en el 2DEG. Tenga en cuenta que típicamente depende de . [7] Las movilidades de los sistemas 2DHG son más pequeñas que las de la mayoría de los sistemas 2DEG, en parte debido a masas efectivas de agujeros más grandes (unos 1000 cm 2 / (V · s) ya pueden considerarse de alta movilidad [8] ).
Además de estar en prácticamente todos los dispositivos semiconductores que se utilizan hoy en día, los sistemas bidimensionales permiten acceder a una física interesante. El efecto Hall cuántico se observó por primera vez en un 2DEG, [9] que dio lugar a dos premios Nobel de física , de Klaus von Klitzing en 1985, [10] y de Robert B. Laughlin , Horst L. Störmer y Daniel C. Tsui en 1998. [11] espectro de una 2DEG lateralmente modulada (una de dos dimensiones superred ) sujeto al campo magnético B se puede representar como la mariposa de Hofstadter , una estructura fractal en la energía vs B trama, las firmas de los cuales se observa en experimentos de transporte. [12] Se han estudiado muchos más fenómenos interesantes relacionados con 2DEG. [A]
Notas al pie
- A. Ejemplos de más física 2DEG. Recientemente se demostró el control total de la polarización de espín 2DEG . [13] Posiblemente, esto podría ser relevante para la tecnología de la información cuántica . Cristalización de Wigner en campo magnético. Oscilaciones de magnetorresistencia inducidas por microondas descubiertas por RG Mani et al. [14] Posible existencia de cuasipartículas no abelianas en el efecto Hall cuántico fraccional con un factor de llenado de 5/2.
Otras lecturas
- Weisbuch, C .; Vinter, B. (1991). Estructuras de semiconductores cuánticos: fundamentos y aplicaciones . Prensa académica . ISBN 0-12-742680-9.
- Davies, JH (1997). La física de los semiconductores de baja dimensión: una introducción . Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 0-521-48148-1.
Referencias
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