Двумерный электронный газ

Двумерный электронный газ ( 2DEG ) является научной моделью в физике твердого состояния . Это электронный газ , который может свободно перемещаться в двух измерениях, но плотно ограничен в третьем. Это жесткое заключение приводит к квантованным уровням энергии для движения в третьем направлении, которое затем можно игнорировать для большинства проблем. Таким образом, электроны, по -видимому, являются 2D -листом, встроенным в 3D мира. Аналогичная конструкция отверстий называется двумерным отверстием-газом (2DHG), и такие системы имеют много полезных и интересных свойств.

Реализации

Большинство 2degs встречаются в транзисторных структурах, сделанных из полупроводников . Наиболее часто встречающимся 2DEG является слой электронов, обнаруженных в МОПЕТАХ (металлические транзисторы с металлическим-оксид-стипендиатом ). Когда транзистор находится в режиме инверсии , электроны под оксидом затвора ограничиваются границей по полупроводнике-оксид и, таким образом, занимают четко определенные уровни энергии. Для тонких потенциальных скважин и температур, не слишком высоких, занят только самый низкий уровень (см. Подпись рисунка), и поэтому движение электронов, перпендикулярно границе раздела, можно игнорировать. Тем не менее, электрон может свободно перемещаться параллельно интерфейсу, как и квази-двое.

Другими методами инженерии 2DEGS являются высокоэлектронные транзисторы (HEMT) и прямоугольные квантовые скважины . Полевы-это полевые транзисторы , которые используют гетеропереход между двумя полупроводническими материалами для ограничения электронов треугольной квантовой скважиной . Электроны, ограниченные гетеропереходом подма, демонстрируют более высокую подвижность , чем в МОПЕТАМ, поскольку бывшее устройство использует намеренно невыполненный канал, тем самым смягчая вредное влияние ионизированного рассеяния примесей . Два близко расположенных гетеропереходных интерфейса могут использоваться для ограничения электронов прямоугольной квантовой скважиной. Тщательный выбор материалов и составов сплава позволяет контролировать плотность носителей в пределах 2DEG.

Электроны также могут быть ограничены поверхностью материала. Например, свободные электроны будут плавать на поверхности жидкого гелия и могут свободно перемещаться по поверхности, но придерживаться гелия; Некоторые из самых ранних работ в 2DEGS были выполнены с использованием этой системы. ^{[ 1 ]} Помимо жидкого гелия, существуют также твердые изоляторы (такие как топологические изоляторы ), которые поддерживают проводящие поверхностные электронные состояния.

В последнее время были разработаны атомно тонкие твердые материалы ( графен , а также дихалкогенид металлов, такие как дисульфид молибдена ), где электроны ограничены в крайней степени. Двумерная электронная система в графене может быть настроена на 2DEG или 2DHG (2-D отверстие) с помощью стробирования или химического легирования . Это было темой текущего исследования из -за универсальных (некоторых существующих, но в основном предполагаемых) приложений графена. ^{[ 2 ]}

Отдельный класс гетероструктур, который может размещать 2degs, являются оксидами. Хотя обе стороны гетероструктуры являются изоляторами, 2DEG на границе раздела может возникнуть даже без допинга (что является обычным подходом в полупроводниках). Типичным примером является гетероструктура Zno/Znmgo. ^{[ 3 ]} Больше примеров можно найти в недавнем обзоре ^{[ 4 ]} Включая заметное открытие 2004 года, 2DEG на границе Laalo ₃ /Srtio ₃ интерфейса ^{[ 5 ]} который становится сверхпроводящим при низких температурах. Происхождение этого 2DEG до сих пор неизвестно, но оно может быть аналогично легированию модуляции в полупроводниках, при этом кислородные вакансии, вызванные электрическим полем.

Эксперименты

Было проведено значительные исследования с участием 2DEGS и 2DHGS, и многое продолжается по сей день. 2degs предлагают зрелую систему электронов с чрезвычайно высокой мобильностью , особенно при низких температурах. При охлаждении до 4 К, 2DEGS может иметь подвижность $\mu$ порядка 1 000 000 см ²/VS и более низкие температуры могут привести к дальнейшему увеличению $\mu$ все еще. Специально выращенные, современные гетероструктуры с мобильностью около 30 000 000 см. ²/(V · S) были сделаны. ^{[ 6 ]} Эти огромные подвижности предлагают испытательный стенд для изучения фундаментальной физики, поскольку, помимо ограничения и эффективной массы , электроны не взаимодействуют с полупроводником очень часто, иногда путешествуя по нескольким микрометрам , прежде чем сталкиваться; Этот так называемый средний свободный путь $\ell$ можно оценить в аппроксимации параболической полосы как

\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 $n$ это плотность электронов в 2DEG. Обратите внимание, что $\mu$ обычно зависит от $n$ . ^{[ 7 ]} Мобильность систем 2DHG меньше, чем у большинства систем 2DEG, отчасти из -за более крупных эффективных масс отверстий (несколько 1000 см ²/(V · S) уже можно считать высокой подвижностью ^{[ 8 ]}).

Помимо пребывания практически на каждом полупроводниковом устройстве, используемом сегодня, два размера системы позволяют доступ к интересной физике. Эффект квантового зала впервые наблюдался в 2DEG, ^{[ 9 ]} что привело к двум Нобелевским призам в области физики , Клауса фон Клицинга в 1985 году, ^{[ 10 ]} и Роберта Б. Лафлина , Хорста Л. Стёрмера и Даниэля С. Цуй в 1998 году. ^{[ 11 ]} Спектр боковой модулированной 2DEG (двумерная суперрешина ), подверженная магнитному полю B, может быть представлен в качестве бабочки Hofstadter , фрактальной структуры на графике энергии против B , сигнатуры которых наблюдались в транспортных экспериментах. ^{[ 12 ]} Было изучено много более интересных явлений, относящихся к 2DEG. [А]

Смотрите также

Двумерный газ

Сноски

А. Примеры большей физики 2DEG. полный контроль поляризации спина 2DEG. Был продемонстрирован ^{[ 13 ]} Возможно, это может иметь отношение к квантовой информационной технологии . Кристаллизация Вигнера в магнитном поле. Микроволновые колебания магниторезистентности, обнаруженные RG Mani et al. ^{[ 14 ]} Возможное существование неабелевских квазичастиц в дробном квантовом зале эффекта заполнения на коэффициенте 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 .

Ссылки

^ Соммер, WT (1964). «Жидкий гелий как барьер для электронов». Письма о физическом обзоре . 12 (11): 271–273. Bibcode : 1964phrvl..12..271s . doi : 10.1103/physrevlett.12.271 .
^ Новоселов, KS; Fal'ko, vi; Коломбо, Л.; Геллерт, PR; Schwab, Mg; Ким, К. (2012). «Дорожная карта для графена». Природа . 490 (7419): 192–200. Bibcode : 2012natur.490..192n . doi : 10.1038/nature11458 . PMID 23060189 . S2CID 389693 .
^ Козука (2011). «Изоляционная фаза двумерного электронного газа в мг _x Zn _{1– x} o/Zno гетероструктуры ниже ν = 1/3». Физический обзор б . 84 (3): 033304. Arxiv : 1106.5605 . BIBCODE : 2011 PHRVB..84C3304K . doi : 10.1103/physrevb.84.033304 . S2CID 118152672 .
^ Hwang (2012). «Эффективные явления на оксидных интерфейсах» (PDF) . Природные материалы . 11 (2): 103–113. Bibcode : 2012natma..11..103h . doi : 10.1038/nmat3223 . PMID 22270825 . S2CID 10597176 .
^ Отомо; Хван (2004). «Электронный газ высокой мобильности на гетероинтерфейсе Laalo ₃ /Srtio ₃ ». Природа . 427 (6973): 423–426. Bibcode : 2004natur.427..423o . doi : 10.1038/nature02308 . PMID 14749825 . S2CID 4419873 .
^ Кумар, А.; Csáthy, GA; Манфра, MJ; Pfeiffer, ln; West, KW (2010). «Неотрадные нечетные дробные дробные квантовые состояния зала во втором уровне Ландау». Письма о физическом обзоре . 105 (24): 246808. Arxiv : 1009.0237 . Bibcode : 2010 phrvl.105x6808k . doi : 10.1103/physrevlett.105.246808 . PMID 21231551 . S2CID 16003101 .
^ Пан, W.; Масухара, н.; Салливан, NS; Болдуин, KW; Запад, KW; Pfeiffer, ln; Tsui, DC (2011). «Влияние беспорядка на дробное состояние квантового зала». Письма о физическом обзоре . 106 (20): 206806. Arxiv : 1109.6911 . Bibcode : 2011 phrvl.106t6806p . doi : 10.1103/physrevlett.106.206806 . PMID 21668256 . S2CID 27918543 .
^ Myronov, M.; Савано, К.; Shiraki, Y.; Mouri, T.; Itoh, KM (2008). «Наблюдение за высокой мобильностью 2DHG с очень высокой плотностью отверстий в допированной квантовой скважине GE, легированной модуляции при комнатной температуре». Физика e . 40 (6): 1935–1937. Bibcode : 2008 Phye ... 40.1935m . doi : 10.1016/j.physe.2007.08.142 .
^ фон Клицинг, К.; Дорда, Г.; Пеппер, М. (1980). «Новый метод для определения высокой токтности константы тонкой структуры на основе квантового сопротивления зала» . Письма о физическом обзоре . 45 (6): 494–497. Bibcode : 1980phrvl..45..494K . doi : 10.1103/physrevlett.45.494 .
^ «Нобелевская премия по физике 1985» . Nobelprize.org . Получено 2018-10-22 .
^ «Нобелевская премия по физике 1998 года» . Nobelprize.org . Получено 2018-10-22 .
^ Geisler, MC; Smet, JH; Уманский, В.; фон Клицинг, К.; Наундорф, Б.; Ketcmerick, R.; Schweizer, H. (2004). «Обнаружение перестройки Ландау-группа, вызванная связкой, бабочки Hofstadter». Письма о физическом обзоре . 92 (25): 256801. Bibcode : 2004phrvl..92y6801g . doi : 10.1103/physrevlett.92.256801 . PMID 15245044 .
^ Phelps, C.; Суини, Т.; Кокс, RT; Ван, Х. (2009). «Ультрастаночный когерентный электронный спин переворачивается в квантовой скважине CDTE, лечебной модуляции» . Письма о физическом обзоре . 102 (23): 237402. Bibcode : 2009 phrvl.102w7402p . doi : 10.1103/physrevlett.102.237402 . PMID 19658972 .
^ Мани, RG; Smet, JH; фон Клицинг, К.; Нараянамурти, В.; Джонсон, WB; Уманский В. (2004). «Состояния с нулевой резистентностью, вызванные электромагнитным возбуждением в гетероструктурах GaAs/Algaas». Природа . 420 (6916): 646–650. arxiv : cond-mat/0407367 . Bibcode : 2002natur.420..646M . doi : 10.1038/nature01277 . PMID 12478287 . S2CID 4379938 .

[1] Соммер, WT (1964). «Жидкий гелий как барьер для электронов». Письма о физическом обзоре . 12 (11): 271–273. Bibcode : 1964phrvl..12..271s . doi : 10.1103/physrevlett.12.271 .

[2] Новоселов, KS; Fal'ko, vi; Коломбо, Л.; Геллерт, PR; Schwab, Mg; Ким, К. (2012). «Дорожная карта для графена». Природа . 490 (7419): 192–200. Bibcode : 2012natur.490..192n . doi : 10.1038/nature11458 . PMID 23060189 . S2CID 389693 .

[3] Козука (2011). «Изоляционная фаза двумерного электронного газа в мг _x Zn _{1– x} o/Zno гетероструктуры ниже ν = 1/3». Физический обзор б . 84 (3): 033304. Arxiv : 1106.5605 . BIBCODE : 2011 PHRVB..84C3304K . doi : 10.1103/physrevb.84.033304 . S2CID 118152672 .

[4] Hwang (2012). «Эффективные явления на оксидных интерфейсах» (PDF) . Природные материалы . 11 (2): 103–113. Bibcode : 2012natma..11..103h . doi : 10.1038/nmat3223 . PMID 22270825 . S2CID 10597176 .

[5] Отомо; Хван (2004). «Электронный газ высокой мобильности на гетероинтерфейсе Laalo ₃ /Srtio ₃ ». Природа . 427 (6973): 423–426. Bibcode : 2004natur.427..423o . doi : 10.1038/nature02308 . PMID 14749825 . S2CID 4419873 .

[6] Кумар, А.; Csáthy, GA; Манфра, MJ; Pfeiffer, ln; West, KW (2010). «Неотрадные нечетные дробные дробные квантовые состояния зала во втором уровне Ландау». Письма о физическом обзоре . 105 (24): 246808. Arxiv : 1009.0237 . Bibcode : 2010 phrvl.105x6808k . doi : 10.1103/physrevlett.105.246808 . PMID 21231551 . S2CID 16003101 .

[7] Пан, W.; Масухара, н.; Салливан, NS; Болдуин, KW; Запад, KW; Pfeiffer, ln; Tsui, DC (2011). «Влияние беспорядка на дробное состояние квантового зала». Письма о физическом обзоре . 106 (20): 206806. Arxiv : 1109.6911 . Bibcode : 2011 phrvl.106t6806p . doi : 10.1103/physrevlett.106.206806 . PMID 21668256 . S2CID 27918543 .

[8] Myronov, M.; Савано, К.; Shiraki, Y.; Mouri, T.; Itoh, KM (2008). «Наблюдение за высокой мобильностью 2DHG с очень высокой плотностью отверстий в допированной квантовой скважине GE, легированной модуляции при комнатной температуре». Физика e . 40 (6): 1935–1937. Bibcode : 2008 Phye ... 40.1935m . doi : 10.1016/j.physe.2007.08.142 .

[9] фон Клицинг, К.; Дорда, Г.; Пеппер, М. (1980). «Новый метод для определения высокой токтности константы тонкой структуры на основе квантового сопротивления зала» . Письма о физическом обзоре . 45 (6): 494–497. Bibcode : 1980phrvl..45..494K . doi : 10.1103/physrevlett.45.494 .

[10] «Нобелевская премия по физике 1985» . Nobelprize.org . Получено 2018-10-22 .

[11] «Нобелевская премия по физике 1998 года» . Nobelprize.org . Получено 2018-10-22 .

[12] Geisler, MC; Smet, JH; Уманский, В.; фон Клицинг, К.; Наундорф, Б.; Ketcmerick, R.; Schweizer, H. (2004). «Обнаружение перестройки Ландау-группа, вызванная связкой, бабочки Hofstadter». Письма о физическом обзоре . 92 (25): 256801. Bibcode : 2004phrvl..92y6801g . doi : 10.1103/physrevlett.92.256801 . PMID 15245044 .

[13] Phelps, C.; Суини, Т.; Кокс, RT; Ван, Х. (2009). «Ультрастаночный когерентный электронный спин переворачивается в квантовой скважине CDTE, лечебной модуляции» . Письма о физическом обзоре . 102 (23): 237402. Bibcode : 2009 phrvl.102w7402p . doi : 10.1103/physrevlett.102.237402 . PMID 19658972 .

[14] Мани, RG; Smet, JH; фон Клицинг, К.; Нараянамурти, В.; Джонсон, WB; Уманский В. (2004). «Состояния с нулевой резистентностью, вызванные электромагнитным возбуждением в гетероструктурах GaAs/Algaas». Природа . 420 (6916): 646–650. arxiv : cond-mat/0407367 . Bibcode : 2002natur.420..646M . doi : 10.1038/nature01277 . PMID 12478287 . S2CID 4379938 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]