Un gas de electrones bidimensional ( 2DEG ) es un modelo científico en física del estado sólido . Es un gas de electrones que puede moverse libremente en dos dimensiones, pero estrechamente confinado en la tercera. Este estricto 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 tanto, los electrones parecen ser una lámina bidimensional incrustada en un mundo tridimensional. La construcción análoga de agujeros se denomina gas de agujero bidimensional (2DHG), y dichos sistemas tienen muchas propiedades útiles e interesantes.
La mayoría de los 2DEG se encuentran en estructuras similares a transistores hechas de semiconductores . El 2DEG que se encuentra más comúnmente es la capa de electrones que se encuentra en los MOSFET ( transistores de efecto de campo 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 suficientemente delgados y temperaturas no demasiado altas, sólo el nivel más bajo está ocupado (ver el pie de la figura), por lo que se puede ignorar el movimiento de los electrones perpendicular a la interfaz. Sin embargo, el electrón es libre de moverse paralelo a la interfaz y, por tanto, es casi bidimensional.
Otros métodos para diseñar 2DEG son los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) y los pozos cuánticos rectangulares . Los HEMT son transistores de efecto de campo que utilizan la heterounión entre dos materiales semiconductores para confinar electrones en un pozo cuántico triangular . Los electrones confinados en la heterounión de los HEMT exhiben mayor movilidad que los de los MOSFET, ya que el primer dispositivo utiliza un canal intencionalmente no dopado, mitigando así el efecto nocivo de la dispersión de impurezas ionizadas . Se pueden utilizar dos interfaces de heterounión estrechamente espaciadas para confinar electrones en un pozo cuántico rectangular. La elección cuidadosa de los materiales y las composiciones de las aleaciones 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 pueden 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 aisladores 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 ), en los que los electrones están confinados en un grado extremo. El sistema de electrones bidimensional en el grafeno se puede sintonizar a 2DEG o 2DHG (gas de agujero 2-D) mediante activación o dopaje 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 los semiconductores). Un ejemplo típico es una heteroestructura ZnO/ZnMgO. [3] Se pueden encontrar más ejemplos en una revisión reciente [4] que incluye un descubrimiento notable de 2004, un 2DEG en la interfaz LaAlO 3 /SrTiO 3 [5] que se vuelve superconductor a bajas temperaturas. 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 actuando como dopantes.
Se han realizado considerables investigaciones sobre 2DEG y 2DHG, y muchas continúan hasta el día de hoy. Los 2DEG ofrecen un sistema maduro de electrones de movilidad extremadamente alta , especialmente a bajas temperaturas. Cuando se enfrían a 4 K, los 2DEG pueden tener movilidades del orden de 1.000.000 cm 2 /Vs y temperaturas más bajas pueden provocar un mayor aumento del alambique. Se han fabricado heteroestructuras de última generación especialmente desarrolladas 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 está la densidad de electrones en el 2DEG? Tenga en cuenta que normalmente depende de . [7] Las movilidades de los sistemas 2DHG son menores que las de la mayoría de los sistemas 2DEG, en parte debido a las mayores masas efectivas de agujeros (unos pocos 1000 cm 2 /(V·s) ya pueden considerarse de alta movilidad [8] ).
Además de encontrarse prácticamente en todos los dispositivos semiconductores que se utilizan en la actualidad, los sistemas bidimensionales permiten acceder a física interesante. El efecto Hall cuántico se observó por primera vez en un 2DEG, [9] lo que dio lugar a dos premios Nobel de física , el de Klaus von Klitzing en 1985, [10] y el de Robert B. Laughlin , Horst L. Störmer y Daniel C. Tsui en 1998. [11] El espectro de un 2DEG (una superred bidimensional ) modulado lateralmente sujeto al campo magnético B se puede representar como la mariposa de Hofstadter , una estructura fractal en el gráfico energía vs B , cuyas firmas se observaron en experimentos de transporte. [12] Se han estudiado muchos más fenómenos interesantes relacionados con 2DEG.[A]
![{\displaystyle \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}} ]} }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b292cffa5d42acff70e488906dc5e553113b9556)
