Двумерный электронный газ - Two-dimensional electron gas

Не путать с 2 градуса.

А двумерный электронный газ (2DEG) это научная модель в физика твердого тела. Это электронный газ который может свободно перемещаться в двух измерениях, но плотно ограничен в третьем. Это жесткое ограничение приводит к квантованной уровни энергии для движения в третьем направлении, которое затем можно игнорировать для большинства задач. Таким образом, электроны кажутся двумерным листом, встроенным в трехмерный мир. Аналогичная конструкция дыры называется двумерным дырочным газом (2DHG), и такие системы обладают множеством полезных и интересных свойств.

Реализации

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

Диаграмма края ленты базового HEMT. Край зоны проводимости E_C и Уровень Ферми E_F определить концентрацию электронов в ДЭГ. Квантованные уровни образуются в треугольной лунке (желтая область) и оптимально только один из них находится ниже E_F.

Гетероструктура, соответствующая диаграмме краев зоны выше.

Большинство 2DEG находятся в транзистор -подобные конструкции из полупроводники. Наиболее часто встречающийся 2DEG - это слой электронов, обнаруженный в МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник полевые транзисторы ). Когда транзистор в режим инверсии, электроны под оксид ворот ограничены границей раздела полупроводник-оксид и, таким образом, занимают четко определенные уровни энергии. Для достаточно тонких потенциальных ям и не слишком высоких температур допустим только самый низкий уровень. занят (см. подпись к рисунку), поэтому движением электронов перпендикулярно границе раздела можно пренебречь. Однако электрон может свободно двигаться параллельно границе раздела, поэтому он квазидвумерен.

Другие методы проектирования 2DEG: транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMTs) и прямоугольные квантовые ямы. HEMT полевые транзисторы которые используют гетеропереход между двумя полупроводниковыми материалами, чтобы ограничить электроны треугольником квантовая яма. Электроны, ограниченные гетеропереходом HEMT, демонстрируют более высокую подвижность чем в полевых МОП-транзисторах, поскольку первое устройство намеренно использует нелегированный канал тем самым уменьшая вредное воздействие рассеяние на ионизованной примеси. Два близко расположенных интерфейса гетероперехода могут быть использованы 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 жидкий гелий, и могут 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 электронные состояния проводящей поверхности.

Недавно были разработаны атомарно тонкие твердые материалы (графен, а также дихалькогениды металлов, такие как дисульфид молибдена ), где электроны удерживаются в крайней степени. Двумерная электронная система в графен может быть настроен на 2DEG или 2DHG (двумерный газ для скважин) с помощью ворота или химический допинг. Это стало темой текущих исследований из-за разнообразных (некоторые из существующих, но в основном предполагаемых) приложений графена.^[2]

Отдельный класс гетероструктур, в которых могут находиться ДЭГ, - оксиды. Хотя обе стороны гетероструктуры являются изоляторами, 2DEG на границе раздела может возникать даже без легирования (что является обычным подходом в полупроводниках). Типичным примером является гетероструктура ZnO / ZnMgO.^[3] Больше примеров можно найти в недавнем обзоре^[4] включая примечательное открытие 2004 г., 2DEG на LaAlO₃/ SrTiO₃ интерфейс^[5] который становится сверхпроводящим при низких температурах. Происхождение этого 2DEG до сих пор неизвестно, но может быть похоже на модуляционное допирование в полупроводниках, 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 предлагают зрелую систему с чрезвычайно высокими мобильность электроны, особенно при низких температурах. При охлаждении до 4 К 2DEG могут иметь подвижность. ${displaystyle mu }$ порядка 1000000 см²/ Vs и более низкие температуры могут привести к дальнейшему увеличению ${displaystyle mu }$ Все еще. Специально выращенный, современный гетероструктуры с подвижностью около 30 000 000 см²/ (В · с).^[6] Эти огромные возможности представляют собой испытательный полигон для изучения фундаментальной физики, поскольку помимо ограничения и эффективная масса, электроны не очень часто взаимодействуют с полупроводником, иногда перемещаясь на несколько микрометры перед столкновением; эта так называемая длина свободного пробега ${displaystyle ell }$ можно оценить в приближении параболической зоны как

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

куда ${displaystyle n}$ - концентрация электронов в ДЭГ. Обратите внимание, что ${displaystyle mu }$ обычно зависит от ${displaystyle n}$.^[7] Подвижность систем 2DHG меньше, чем у большинства систем 2DEG, отчасти из-за большей эффективной массы дырок (несколько 1000 см²/ (V · s) уже можно считать высокой подвижностью^[8]).

Помимо того, что они присутствуют практически в каждом полупроводниковом устройстве, используемом сегодня, двумерные системы открывают доступ к интересной физике. В квантовый эффект холла впервые был обнаружен в 2DEG,^[9] что привело к двум Нобелевские премии по физике, из Клаус фон Клитцинг в 1985 г.,^[10] и из Роберт Б. Лафлин, Хорст Л. Стёрмер и Дэниел С. Цуй в 1998 г.^[11] Спектр 2DEG с латеральной модуляцией (двумерный сверхрешетка ) с учетом магнитного поля B можно представить как Бабочка Хофштадтера, фрактальная структура в энергии vs B сюжет, признаки которого наблюдались в транспортных экспериментах.^[12] Было изучено еще много интересных явлений, относящихся к 2DEG.[A]

Сноски

• A. Примеры более физики 2DEG. Полный контроль над 2DEG спиновая поляризация был недавно продемонстрирован.^[13] Возможно, это могло иметь отношение к квантовая информационная технология. Вигнеровская кристаллизация в магнитном поле. Осцилляции магнитосопротивления, вызванные микроволновым излучением, открытые R. G. Mani et al.^[14] Возможное существование неабелевых квазичастиц в дробном квантовом эффекте Холла при факторе заполнения 5/2.

дальнейшее чтение

• 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.

Рекомендации

1. Зоммер, В. Т. (1964). «Жидкий гелий как барьер для электронов». Письма с физическими проверками. 12 (11): 271–273. Bibcode:1964ПхРвЛ..12..271С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.12.271.
2. Новоселов, К. С .; Фалько, В. И .; Коломбо, Л .; Gellert, P.R .; Schwab, M. G .; Ким, К. (2012). «Дорожная карта для графена». Природа. 490 (7419): 192–200. Bibcode:2012Натура.490..192Н. Дои:10.1038 / природа11458. PMID  23060189.
3. Козука (2011). «Изолирующая фаза двумерного электронного газа в Mg_ИксZn_1–ИксГетероструктуры O / ZnO ниже ν = 1/3 ". Физический обзор B. 84 (3): 033304. arXiv:1106.5605. Bibcode:2011PhRvB..84c3304K. Дои:10.1103 / PhysRevB.84.033304.
4. Хван (2012). «Эмерджентные явления на границах раздела оксидов» (PDF). Материалы Природы. 11 (2): 103. Bibcode:2012НатМа..11..103Ч. Дои:10.1038 / nmat3223. PMID  22270825.
5. Охтомо; Хван (2004). "Электронный газ с высокой подвижностью на LaAlO₃/ SrTiO₃ гетероинтерфейс ". Природа. 427 (6973): 423. Bibcode:2004Натура.427..423O. Дои:10.1038 / природа02308. PMID  14749825.
6. Кумар, А .; Csáthy, G.A .; Manfra, M. J .; Pfeiffer, L.N .; Уэст, К. У. (2010). "Нетрадиционные дробные квантовые состояния Холла с нечетным знаменателем на втором уровне Ландау". Письма с физическими проверками. 105 (24): 246808. arXiv:1009.0237. Bibcode:2010ПхРвЛ.105х6808К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.246808. PMID  21231551.
7. Pan, W .; Masuhara, N .; Салливан, Н. С .; Болдуин, К. У .; West, K. W .; Pfeiffer, L.N .; Цуй, Д. К. (2011). "Влияние беспорядка на фракционное квантовое состояние Холла". Письма с физическими проверками. 106 (20): 206806. arXiv:1109.6911. Bibcode:2011ПхРвЛ.106т6806П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.206806. PMID  21668256.
8. Миронов, М .; Sawano, K .; Shiraki, Y .; Mouri, T .; Ито, К. (2008). «Наблюдение 2DHG с высокой подвижностью и очень высокой плотностью дырок в модуляционно-легированной деформированной квантовой яме Ge при комнатной температуре». Physica E. 40 (6): 1935–1937. Bibcode:2008PhyE ... 40.1935M. Дои:10.1016 / j.physe.2007.08.142.
9. von Klitzing, K .; Dorda, G .; Пеппер, М. (1980). «Новый метод высокоточного определения постоянной тонкой структуры на основе квантованного холловского сопротивления». Письма с физическими проверками. 45 (6): 494–497. Bibcode:1980ПхРвЛ..45..494К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.45.494.
10. «Нобелевская премия по физике 1985 г.». NobelPrize.org. Получено 2018-10-22.
11. "Нобелевская премия по физике 1998 г.". NobelPrize.org. Получено 2018-10-22.
12. Geisler, M. C .; Smet, J. H .; Уманский, В .; von Klitzing, K .; Наундорф, Б .; Ketzmerick, R .; Швейцер, Х. (2004). "Обнаружение перестройки, вызванной связью Ландау бабочки Хофштадтера". Письма с физическими проверками. 92 (25): 256801. Bibcode:2004PhRvL..92y6801G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.256801. PMID  15245044.
13. Phelps, C .; Суини, Т .; Cox, R.T .; Ван, Х. (2009). «Сверхбыстрый когерентный электронный спин-флип в квантовой яме из CdTe, легированной модуляцией». Письма с физическими проверками. 102 (23): 237402. Bibcode:2009PhRvL.102w7402P. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.237402. PMID  19658972.
14. Mani, R.G .; Smet, J. H .; von Klitzing, K .; Narayanamurti, V .; Johnson, W. B .; Уманский, В. (2004). «Состояния с нулевым сопротивлением, индуцированные возбуждением электромагнитными волнами в гетероструктурах GaAs / AlGaAs». Природа. 420 (6916): 646–650. arXiv:cond-mat / 0407367. Bibcode:2002Натура.420..646М. Дои:10.1038 / природа01277. PMID  12478287.