Физика жартылай өткішгіштердегі 2D электрондық газ (2DEG) – қозғалысы екі өлшемде еркін, үшіншісінде шектелген электрондық жүйе. Қасиеттері мен қолданысы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Екі өлшемді электронды газ (2DEG) – қатты дене физикасының ғылыми моделі. Бұл екі өлшемде еркін қозғалатын, бірақ үшінші өлшемде қатаң шектелген электронды газ. Мұндай қатаң шектелу үшінші бағыттағы қозғалысқа квантталған энергия деңгейлеріне алып келеді, оларды көптеген есептерде ескермеуге болады. Осылайша, электрондар 3D кеңістікте орналасқан 2D жазықтық сияқты көрінеді. Бұйымдардың (немесе тесіктердің) ұқсас құрылысы екі өлшемді бұйымдық газ (2DHG) деп аталады, және мұндай жүйелер көптеген пайдалы және қызықты қасиеттерге ие.
A two dimensional electron gas (2DEG) is a scientific model in solid state physics. It is an electron gas that is free to move in two dimensions, but tightly confined in the third. This tight confinement leads to quantized energy levels for motion in the third direction, which can then be ignored for most problems. Thus the electrons appear to be a 2D sheet embedded in a 3D world. The analogous construct of holes is called a two dimensional hole gas (2DHG), and such systems have many useful and interesting properties.
Орындалған жұмыстар
Көптеген 2DEG-тер жартылай өткізгіштерден жасалған транзистор сияқты құрылымдарда табылады. Ең көп кездесетін 2DEG – бұл MOSFET-терде (металл-оксид-жартылай өткізгіштік өрістік эффектті транзисторлар) кездесетін электрондар қабаты. Транзистор инверсиялық режимде болғанда, қақпа оксиді астындағы электрондар жартылай өткізгіштің оксид интерфейсімен шектеледі, сондықтан олар анықталған энергия деңгейлерін иеленеді. Потенциалдық құдықтар жеткілікті түрде жіңішке болса және температура тым жоғары болмаса, тек ең төменгі деңгей ғана толтырылады (суреттің түсіндірмесін қараңыз), сондықтан интерфейске перпендикуляр электрондардың қозғалысын ескермеуге болады. Дегенмен, электрон интерфейске параллель қозғалуға бостандыққа ие, сондықтан ол квази-екі өлшемді болып табылады. 2DEG-ті жасаудың басқа әдістері – жоғары электронды жылдамдықты транзисторлар (HEMT) және тікбұрышты кванттық құдықтар. HEMT – бұл екі жартылай өткізгіш материал арасындағы гетерожүзеуді пайдаланып, электронды үшбұрышты кванттық құдыққа шектейтін өрістік эффектті транзисторлар. HEMT-тің гетерожүзеуіндегі электрондар MOSFET-терге қарағанда жоғары жылдамдыққа ие, себебі бұл құрылғы қасақана қоспаланбаған арнаны пайдаланады, соның арқасында иондалған қоспалардың шашырауының зиянды әсері азаяды. Екі жақын орналасқан гетерожүзеулік интерфейстерді электронды тікбұрышты кванттық құдыққа шектеуге болады. Материалдар мен қорытпалардың құрамын мұқият таңдау 2DEG-дегі тасымалдаушылар тығыздығын бақылауға мүмкіндік береді. Электрондар материалдың бетінде де шектелуі мүмкін. Мысалы, еркін электрондар сұйық гелийдің бетінде жүзіп, бетінде еркін қозғалады, бірақ гелийге жабысады; 2DEG-дегі алғашқы жұмыстардың кейбіреулері осы жүйе арқылы жүзеге асырылды. Сұйық гелийден басқа, өткізгіш беттік электрондық күйлерді қолдайтын қатты изоляторлар (мысалы, топологиялық изоляторлар) да бар. Жақында атомдық жұқа материалдар (графен, сондай-ақ молибден дисульфиді сияқты металл дихалькогенидтер) жасалды, онда электрондар жоғары дәрежеде шектеледі. Графендегі екі өлшемді электрондық жүйе гейт немесе химиялық қоспалау арқылы 2DEG немесе 2DHG (2D тесік газы) күйіне келтірілуі мүмкін. Бұл графеннің жан-жақты (кейбір қолданыстағы, бірақ көбінесе жоспарланған) қолданыстарына байланысты қазіргі зерттеулердің тақырыбы болып табылады. 2DEG-ті қабылдай алатын гетероқұрылымдардың жеке класы – оксидтер. Гетероқұрылымның екі жағы да оқшаулағыш болса да, интерфейстегі 2DEG қоспалаусыз да пайда болуы мүмкін (ол жартылай өткізгіштердегі әдеттегі тәсіл). Типтік мысал – ZnO/ZnMgO гетероқұрылымы. Жақындағы зерттеулерде, соның ішінде 2004 жылы ашылған LaAlO3/SrTiO3 интерфейсіндегі 2DEG, төмен температурада суперөткізгіш болатыны көрсетілді. Бұл 2DEG-тің пайда болу себебі әлі белгісіз, бірақ ол жартылай өткізгіштердегі модуляциялық қоспалауға ұқсас болуы мүмкін, электр өрісінің әсерінен туындаған оттегі бос орындары қоспа ретінде әрекет етеді.
Most 2DEGs are found in transistor like structures made from semiconductors. The most commonly encountered 2DEG is the layer of electrons found in MOSFETs (metal–oxide–semiconductor field effect transistors). When the transistor is in inversion mode, the electrons underneath the gate oxide are confined to the semiconductor oxide interface, and thus occupy well defined energy levels. For thin enough potential wells and temperatures not too high, only the lowest level is occupied (see the figure caption), and so the motion of the electrons perpendicular to the interface can be ignored. However, the electron is free to move parallel to the interface, and so is quasi two dimensional. Other methods for engineering 2DEGs are high electron mobility transistors (HEMTs) and rectangular quantum wells. HEMTs are field effect transistors that utilize the heterojunction between two semiconducting materials to confine electrons to a triangular quantum well. Electrons confined to the heterojunction of HEMTs exhibit higher mobilities than those in MOSFETs, since the former device utilizes an intentionally undoped channel thereby mitigating the deleterious effect of ionized impurity scattering. Two closely spaced heterojunction interfaces may be used to confine electrons to a rectangular quantum well. Careful choice of the materials and alloy compositions allow control of the carrier densities within the 2DEG. Electrons may also be confined to the surface of a material. For example, free electrons will float on the surface of liquid helium, and are free to move along the surface, but stick to the helium; some of the earliest work in 2DEGs was done using this system. Besides liquid helium, there are also solid insulators (such as topological insulators) that support conductive surface electronic states. Recently, atomically thin solid materials have been developed (graphene, as well as metal dichalcogenide such as molybdenum disulfide) where the electrons are confined to an extreme degree. The two dimensional electron system in graphene can be tuned to either a 2DEG or 2DHG (2 D hole gas) by gating or chemical doping. This has been a topic of current research due to the versatile (some existing but mostly envisaged) applications of graphene. A separate class of heterostructures that can host 2DEGs are oxides. Although both sides of the heterostructure are insulators, the 2DEG at the interface may arise even without doping (which is the usual approach in semiconductors). Typical example is a ZnO/ZnMgO heterostructure. More examples can be found in a recent review including a notable discovery of 2004, a 2DEG at the LaAlO3/SrTiO3 interface which becomes superconducting at low temperatures. The origin of this 2DEG is still unknown, but it may be similar to modulation doping in semiconductors, with electric field induced oxygen vacancies acting as the dopants.
Тәжірибелер
2DEG және 2DHG-ге қатысты айтарлықтай зерттеулер жүргізілді және олар әлі де жалғасуда. 2DEG-лер, әсіресе төмен температурада, өте жоғары жылдамдығы бар электрондардың толыққанды дамыған жүйесін ұсынады. 4 К-қа дейін салқындатылғанда 2DEG-лердің жылдамдығы 1 000 000 см²/Вс шамасына жете алады, ал температураны төмендету одан да артық жылдамдыққа алып келуі мүмкін. Арнайы өсірілген, қазіргі заманғы гетероқұрылымдар 30 000 000 см²/(В·с) жылдамдыққа ие. Бұл үлкен жылдамдықтар физиканың негізгі принциптерін зерттеу үшін сынақ алаңы болып табылады, себебі электрондар шектелу және тиімді массадан басқа, жартылай өткізгішпен сирек әрекеттеседі, кейде соқтығысқанға дейін бірнеше микрометрге дейін жүреді; осы орташа еркін жол параболалық жолақ жуықтауында былай бағаланады:
Considerable research involving 2DEGs and 2DHGs has been done, and much continues to this day. 2DEGs offer a mature system of extremely high mobility electrons, especially at low temperatures. When cooled to 4 K, 2DEGs may have mobilities of the order of 1,000,000 cm2/Vs and lower temperatures can lead to further increase of still. Specially grown, state of the art heterostructures with mobilities around 30,000,000 cm2/(V·s) have been made. These enormous mobilities offer a test bed for exploring fundamental physics, since besides confinement and effective mass, the electrons do not interact with the semiconductor very often, sometimes traveling several micrometers before colliding; this so called mean free path can be estimated in the parabolic band approximation as
мұндағы – 2DEG-дегі электрондық тығыздық. Ескеріңіз, көбінесе жылдамдыққа тәуелді. 2DHG жүйелерінің жылдамдығы көбінесе 2DEG жүйелеріне қарағанда төмен болады, себебі тесіктердің тиімді массасы үлкенірек (бірнеше 1000 см²/(В·с) жоғары жылдамдық деп есептелуі мүмкін). Қазіргі кезде қолданылатын барлық жартылай өткізгіш құрылымдарда кездесетін екі өлшемді жүйелер қызықты физикалық құбылыстарды зерттеуге мүмкіндік береді. Кванттық Холл эффектісі алғаш рет 2DEG-де байқалды, бұл 1985 жылы Клаус фон Клицингке және 1998 жылы Роберт Б. Лафлин, Хорст Л. Штормер және Дэниел Цуиге физика саласындағы Нобель сыйлығын әкелді. Магниттік өріс B әсерімен таратылған екі өлшемді супертор (модуляцияланған 2DEG) спектрін Хофштадтердің көбелегі ретінде бейнелеуге болады, бұл энергияға қарсы B графигіндегі фракталдық құрылым, оның белгілері тасымалдау эксперименттерінде байқалды. 2DEG-ге қатысты көптеген қызықты құбылыстар зерттелді. [А]
where is the electron density in the 2DEG. Note that typically depends on Mobilities of 2DHG systems are smaller than those of most 2DEG systems, in part due to larger effective masses of holes (few 1000 cm2/(V·s) can already be considered high mobility). Aside from being in practically every semiconductor device in use today, two dimensional systems allow access to interesting physics. The quantum Hall effect was first observed in a 2DEG, which led to two Nobel Prizes in physics, of Klaus von Klitzing in 1985, and of Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer and Daniel C. Tsui in 1998. Spectrum of a laterally modulated 2DEG (a two dimensional superlattice) subject to magnetic field B can be represented as the Hofstadter's butterfly, a fractal structure in the energy vs B plot, signatures of which were observed in transport experiments. Many more interesting phenomena pertaining to 2DEG have been studied. [A]
Түсініктемелер
А. 2DEG физикасының мысалдары. 2DEG спинінің поляризациясын толық бақылау көрсетілді. Бұл кванттық ақпараттық технологиялар үшін маңызды болуы мүмкін. Магниттік өрісте Вигнер кристалдануы. Р. Г. Мани және авторлар тобы ашқан микротолқынды индукцияланған магнитқарсылық осцилляциялары. 5/2 толтыру коэффициентіндегі бөлшектік кванттық Холл эффектінде абельдік емес квазибөлшектердің болу мүмкіндігі.
A. Examples of more 2DEG physics. Full control of the 2DEG spin polarization was demonstrated. Possibly, this could be relevant to quantum information technology. Wigner crystallization in magnetic field. Microwave induced magnetoresistance oscillations discovered by R. G. Mani et al. Possible existence of non abelian quasiparticles in the fractional quantum Hall effect at filling factor 5/2.