İki boyutlu elektron gazı - Two-dimensional electron gas

Kafanı karıştırmamak 2 derece.

Bir iki boyutlu elektron gazı (2DEG) bir bilimsel model içinde katı hal fiziği. O bir elektron gazı iki boyutta hareket etmekte serbesttir, ancak üçüncü boyutta sıkıca sınırlıdır. Bu sıkı hapis, nicelleştirilmiş enerji seviyeleri üçüncü yöndeki hareket için, bu daha sonra çoğu sorun için göz ardı edilebilir. Böylece elektronlar, 3B bir dünyaya gömülü 2B bir tabaka gibi görünür. Benzer yapı delikler iki boyutlu bir delik gazı (2DHG) olarak adlandırılır ve bu tür sistemler birçok yararlı ve ilginç özelliğe sahiptir.

Gerçekleşmeler

MOSFET'lerde, 2DEG yalnızca transistör ters çevirme modundayken mevcuttur ve doğrudan geçit oksidinin altında bulunur.
Bant kenar diyagramı temel bir HEMT. İletim bandı kenarı EC ve Fermi seviyesi EF 2DEG'deki elektron yoğunluğunu belirler. Üçgen kuyucukta (sarı bölge) nicelenmiş seviyeler oluşur ve optimal olarak bunlardan sadece biri aşağıda yer alır EF.
Yukarıdaki bant kenar diyagramına karşılık gelen heteroyapı.

2DEG'lerin çoğu şurada bulunur: transistör yapılan benzeri yapılar yarı iletkenler. En sık karşılaşılan 2DEG, içinde bulunan elektron katmanıdır. MOSFET'ler (metal oksit yarı iletken Alan Etkili Transistörler ). Transistör içeride olduğunda ters çevirme modu, altındaki elektronlar kapı oksit yarı iletken oksit arayüzüyle sınırlıdır ve bu nedenle iyi tanımlanmış enerji seviyelerini işgal eder. Yeterince ince potansiyel kuyular ve çok yüksek olmayan sıcaklıklar için yalnızca en düşük seviye meşgul (şekil başlığına bakın) ve böylece arayüze dik olan elektronların hareketi göz ardı edilebilir. Bununla birlikte, elektron, arayüze paralel hareket etmekte serbesttir ve bu nedenle yarı-iki boyutludur.

2DEG mühendisliği için diğer yöntemler: yüksek elektron hareketlilik transistörleri (HEMT'ler) ve dikdörtgen kuantum kuyuları. HEMT'ler Alan Etkili Transistörler kullanan heterojonksiyon elektronları bir üçgenle sınırlamak için iki yarı iletken malzeme arasında kuantum kuyusu. HEMT'lerin heterojonksiyonuyla sınırlı elektronlar daha yüksek hareketlilik Eski cihaz kasıtlı olarak kullandığından, MOSFET'dekilere göre açılmamış kanal böylelikle zararlı etkisini azaltır iyonize safsızlık saçılması. Elektronları dikdörtgen bir kuantum kuyusu ile sınırlamak için birbirine yakın aralıklı iki heterojonksiyon arayüzü kullanılabilir. Malzemelerin ve alaşım bileşimlerinin dikkatli seçimi, 2DEG içindeki taşıyıcı yoğunluklarının kontrolüne izin verir.

Elektronlar ayrıca bir malzemenin yüzeyiyle sınırlı olabilir. Örneğin, serbest elektronlar yüzeyinde yüzer. sıvı helyum ve yüzey boyunca hareket etmekte özgürdür, ancak helyuma yapışır; 2DEG'lerdeki en eski çalışmaların bir kısmı bu sistem kullanılarak yapıldı.[1] Sıvı helyumun yanı sıra katı izolatörler de vardır (örneğin topolojik izolatörler ) iletken yüzey elektronik durumlarını destekleyen.

Son zamanlarda, atomik olarak ince katı malzemeler geliştirilmiştir (grafen gibi metal dikalkojenid gibi molibden disülfür ) elektronların aşırı derecede sınırlı olduğu yerlerde. İki boyutlu elektron sistemi grafen bir 2DEG veya 2DHG'ye (2-D delikli gaz) ayarlanabilir geçit veya kimyasal doping. Bu, grafenin çok yönlü (bazıları mevcut ancak çoğunlukla öngörülen) uygulamaları nedeniyle güncel bir araştırma konusu olmuştur.[2]

2DEG'leri barındırabilen ayrı bir heteroyapı sınıfı oksitlerdir. Heteroyapının her iki tarafı da yalıtkan olsa da, arayüzdeki 2DEG, doping olmadan bile ortaya çıkabilir (bu, yarı iletkenlerde olağan yaklaşımdır). Tipik bir örnek, bir ZnO / ZnMgO heteroyapıdır.[3] Yakın tarihli bir incelemede daha fazla örnek bulunabilir[4] 2004'ün dikkate değer bir keşfi dahil, bir 2DEG LaAlO3/ SrTiO3 arayüz[5] düşük sıcaklıklarda süper iletken hale gelir. Bu 2DEG'nin kaynağı hala bilinmemektedir, ancak benzer olabilir modülasyon katkısı yarı iletkenlerde, katkı maddeleri olarak hareket eden elektrik alan kaynaklı oksijen boşlukları.

Deneyler

2DEG'leri ve 2DHG'leri içeren önemli araştırmalar yapıldı ve bugüne kadar çok şey devam ediyor. 2DEG'ler son derece yüksek olgun bir sistem sunar hareketlilik elektronlar, özellikle düşük sıcaklıklarda. 4 K'ye soğutulduğunda, 2DEG'lerin hareket kabiliyetleri olabilir 1.000.000 cm mertebesinde2/ Vs ve daha düşük sıcaklıklar daha da artmasına neden olabilir. hala. Özel olarak yetiştirilmiş, son teknoloji heteroyapı yaklaşık 30.000.000 cm hareket kabiliyetiyle2/ (V · s) yapıldı.[6] Bu muazzam hareketlilikler, hapsetme ve hapsedilmenin yanı sıra, temel fiziği keşfetmek için bir test alanı sunar. etkili kütle, elektronlar yarı iletken ile çok sık etkileşime girmez, bazen birkaç mikrometre çarpışmadan önce; bu sözde ortalama özgür yol parabolik bant yaklaşımında şu şekilde tahmin edilebilir:

nerede 2DEG'deki elektron yoğunluğudur. Bunu not et tipik olarak bağlıdır .[7] 2DHG sistemlerinin hareket kabiliyetleri, kısmen daha büyük etkili delik kütleleri (birkaç 1000 cm2/ (V · s) zaten yüksek mobilite olarak kabul edilebilir[8]).

Günümüzde kullanılan hemen hemen her yarı iletken cihazda bulunmanın yanı sıra, iki boyutlu sistemler ilginç fiziğe erişim sağlar. kuantum Hall etkisi ilk olarak bir 2DEG'de gözlemlendi,[9] ikiye yol açan Nobel Fizik Ödülleri, nın-nin Klaus von Klitzing 1985'te[10] ve Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer ve Daniel C. Tsui 1998 yılında.[11] Yanal olarak modüle edilmiş bir 2DEG'nin spektrumu (iki boyutlu üstünlük ) manyetik alana tabi B şu şekilde temsil edilebilir: Hofstadter kelebeği enerji vs fraktal bir yapı B taşıma deneylerinde imzaları görülen arsa.[12] 2DEG ile ilgili daha birçok ilginç fenomen incelenmiştir.[A]

Dipnotlar

  • A. Daha fazla 2DEG fiziği örnekleri. 2DEG'nin tam kontrolü spin polarizasyonu yakın zamanda gösterildi.[13] Muhtemelen, bu aşağıdakilerle alakalı olabilir kuantum bilgi teknolojisi. Wigner kristalleşmesi manyetik alanda. R. G. Mani ve ark. Tarafından keşfedilen mikrodalgayla indüklenen manyetore direnç salınımları.[14] Faktörü 5/2 doldurmada fraksiyonel kuantum Hall etkisinde değişmeli olmayan yarı parçacıkların olası varlığı.

daha fazla okuma

  • Weisbuch, C .; Vinter, B. (1991). Kuantum Yarıiletken Yapılar: Temeller ve Uygulamalar. Akademik Basın. ISBN  0-12-742680-9.
  • Davies, J. H. (1997). Düşük Boyutlu Yarıiletkenlerin Fiziği: Giriş. Cambridge University Press. ISBN  0-521-48148-1.

Referanslar

  1. ^ Sommer, W.T. (1964). "Elektronlara Bariyer Olarak Sıvı Helyum". Fiziksel İnceleme Mektupları. 12 (11): 271–273. Bibcode:1964PhRvL..12..271S. doi:10.1103 / PhysRevLett.12.271.
  2. ^ Novoselov, K. S .; Fal′ko, V. I .; Colombo, L .; Gellert, P. R .; Schwab, M. G .; Kim, K. (2012). "Grafen için bir yol haritası". Doğa. 490 (7419): 192–200. Bibcode:2012Natur.490..192N. doi:10.1038 / nature11458. PMID  23060189.
  3. ^ Kozuka (2011). "İki boyutlu elektron gazının Mg cinsinden yalıtım fazıxZn1–xO / ZnO heteroyapıları ν = 1/3 "altında. Fiziksel İnceleme B. 84 (3): 033304. arXiv:1106.5605. Bibcode:2011PhRvB..84c3304K. doi:10.1103 / PhysRevB.84.033304.
  4. ^ Hwang (2012). "Oksit arayüzlerinde ortaya çıkan olaylar" (PDF). Doğa Malzemeleri. 11 (2): 103. Bibcode:2012NatMa..11..103H. doi:10.1038 / nmat3223. PMID  22270825.
  5. ^ Ohtomo; Hwang (2004). "LaAlO'da yüksek mobilite elektron gazı3/ SrTiO3 heterointerface ". Doğa. 427 (6973): 423. Bibcode:2004Natur.427..423O. doi:10.1038 / nature02308. PMID  14749825.
  6. ^ Kumar, A .; Csáthy, G. A .; Manfra, M. J .; Pfeiffer, L. N .; West, K.W. (2010). "İkinci Landau Düzeyinde Geleneksel Olmayan Tek Payda Kesirli Kuantum Salon Durumları". Fiziksel İnceleme Mektupları. 105 (24): 246808. arXiv:1009.0237. Bibcode:2010PhRvL.105x6808K. doi:10.1103 / PhysRevLett.105.246808. PMID  21231551.
  7. ^ Pan, W .; Masuhara, N .; Sullivan, N. S .; Baldwin, K. W .; West, K. W .; Pfeiffer, L. N .; Tsui, D. C. (2011). "Bozukluğun Kesirli Kuantum Hall Durumu Üzerindeki Etkisi". Fiziksel İnceleme Mektupları. 106 (20): 206806. arXiv:1109.6911. Bibcode:2011PhRvL.106t6806P. doi:10.1103 / PhysRevLett.106.206806. PMID  21668256.
  8. ^ Myronov, M .; Sawano, K .; Shiraki, Y .; Mouri, T .; Itoh, K.M. (2008). "Modülasyon katkılı gerilmiş Ge kuantum kuyusunda oda sıcaklığında çok yüksek delik yoğunluğuna sahip yüksek mobilite 2DHG gözlemi". Physica E. 40 (6): 1935–1937. Bibcode:2008PhyE ... 40.1935M. doi:10.1016 / j.physe.2007.08.142.
  9. ^ von Klitzing, K .; Dorda, G .; Biber, M. (1980). "Nicelleştirilmiş Hall Direncine Dayalı İnce Yapı Sabitinin Yüksek Doğrulukla Belirlenmesi için Yeni Yöntem". Fiziksel İnceleme Mektupları. 45 (6): 494–497. Bibcode:1980PhRvL..45..494K. doi:10.1103 / PhysRevLett.45.494.
  10. ^ "1985 Nobel Fizik Ödülü". NobelPrize.org. Alındı 2018-10-22.
  11. ^ "1998 Nobel Fizik Ödülü". NobelPrize.org. Alındı 2018-10-22.
  12. ^ Geisler, M. C .; Smet, J. H .; Umansky, V .; von Klitzing, K .; Naundorf, B .; Ketzmerick, R .; Schweizer, H. (2004). "Hofstadter Kelebeğinin Landau Bandı Bağlanmasına Bağlı Yeniden Düzenlenmesinin Algılanması". Fiziksel İnceleme Mektupları. 92 (25): 256801. Bibcode:2004PhRvL..92y6801G. doi:10.1103 / PhysRevLett.92.256801. PMID  15245044.
  13. ^ Phelps, C .; Sweeney, T .; Cox, R. T .; Wang, H. (2009). "Modülasyon Katkılı CdTe Kuantum Kuyusunda Ultra Hızlı Tutarlı Elektron Spin Flip". Fiziksel İnceleme Mektupları. 102 (23): 237402. Bibcode:2009PhRvL.102w7402P. doi:10.1103 / PhysRevLett.102.237402. PMID  19658972.
  14. ^ Mani, R. G .; Smet, J. H .; von Klitzing, K .; Narayanamurti, V .; Johnson, W. B .; Umansky, V. (2004). "GaAs / AlGaAs heteroyapılarında elektromanyetik dalga uyarımı ile indüklenen sıfır direnç durumları". Doğa. 420 (6916): 646–650. arXiv:cond-mat / 0407367. Bibcode:2002Natur.420..646M. doi:10.1038 / nature01277. PMID  12478287.