Un gas de electrones bidimensional ( 2DEG ) es un modelo científico de la física del estado sólido . Se trata de un gas de electrones que puede moverse libremente en dos dimensiones, pero que está estrechamente confinado en la tercera. Este estrecho confinamiento conduce a niveles de energía cuantizados para el movimiento en la tercera dirección, que pueden ignorarse para la mayoría de los problemas. Por lo tanto, los electrones parecen ser una lámina bidimensional incrustada en un mundo tridimensional. La construcción análoga de los agujeros se denomina gas de agujeros bidimensional (2DHG), y estos sistemas tienen muchas propiedades útiles e interesantes.
La mayoría de los 2DEG se encuentran en estructuras similares a transistores hechas de semiconductores . El 2DEG más común es la capa de electrones que se encuentra en los MOSFET ( transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ). Cuando el transistor está en modo de inversión , los electrones debajo del óxido de la compuerta están confinados a la interfaz semiconductor-óxido y, por lo tanto, ocupan niveles de energía bien definidos. Para pozos de potencial lo suficientemente delgados y temperaturas no demasiado altas, solo se ocupa el nivel más bajo (ver el pie de figura), por lo que se puede ignorar el movimiento de los electrones perpendiculares a la interfaz. Sin embargo, el electrón es libre de moverse en paralelo a la interfaz y, por lo tanto, es cuasi bidimensional.
Otros métodos para diseñar 2DEG son los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) y los pozos cuánticos rectangulares . Los HEMT son transistores de efecto de campo que utilizan la heterojunción entre dos materiales semiconductores para confinar los electrones en un pozo cuántico triangular . Los electrones confinados en la heterojunción de los HEMT exhiben movilidades más altas que los de los MOSFET, ya que el primer dispositivo utiliza un canal intencionalmente no dopado, mitigando así el efecto perjudicial de la dispersión de impurezas ionizadas . Se pueden utilizar dos interfaces de heterojunción muy espaciadas para confinar los electrones en un pozo cuántico rectangular. La elección cuidadosa de los materiales y las composiciones de aleación permiten controlar las densidades de 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 hay aislantes sólidos (como los aislantes topológicos ) que admiten estados electrónicos superficiales conductores.
Recientemente, se han desarrollado materiales sólidos atómicamente delgados ( grafeno , así como dicalcogenuros metálicos como el disulfuro de molibdeno ) donde los electrones están confinados en un grado extremo. El sistema electrónico bidimensional en el grafeno se puede ajustar a un 2DEG o 2DHG (gas de huecos 2-D) mediante compuertas o dopaje químico . Este ha sido un tema de investigación actual debido a las aplicaciones versátiles (algunas existentes pero la 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 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 de modulación en semiconductores, con vacantes de oxígeno inducidas por el campo eléctrico que actúan como dopantes.
Se han realizado considerables investigaciones con 2DEG y 2DHG, y mucha de ella continúa 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 /V s y temperaturas más bajas pueden conducir a un mayor aumento de aún más. Se han creado 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
donde es la densidad electrónica en el 2DEG. Nótese 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 los huecos (unos pocos 1000 cm 2 /(V·s) ya pueden considerarse de alta movilidad [8] ).
Además de estar presentes prácticamente en todos los dispositivos semiconductores que se utilizan hoy en día, 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 modulado lateralmente (una superred bidimensional ) sujeto al campo magnético B se puede representar como la mariposa de Hofstadter , una estructura fractal en el gráfico de energía frente a 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)
