موضوع مقاله: گاز الکترونی دو بعدی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # گاز الکترونی دو بعدی | مقدمه: یک گاز الکترونی است که آزادانه در دو بعد حرکت می‌کند، اما در بعد سوم به شدت محصور است. | ## بخش 1: گاز الکترونی دو بعدی | این محصور شدن شدید منجر به سطوح انرژی کوانتیزه شده برای حرکت در جهت سوم می‌شود که می‌توان آن را برای اکثر مشکلات نادیده گرفت؛ بنابراین به نظر می‌رسد که الکترون‌ها یک صفحه دوبعدی هستند که در یک دنیای سه‌بعدی جاسازی شده‌اند. ساختار مشابه از سوراخ است که به نام گاز سوراخ دو بعدی (2DHG)، و از جمله سیستم‌ها بسیاری از خواص مفید و جالب است. سطوح کوانتیزه در چاه مثلثی شکل (ناحیه زرد) شکل می‌گیرد و به‌طور مطلوب فقط یکی از آنها زیر است . بیشتر 2DEGها در ساختارهای شبه ترانزیستور ساخته شده از نیمه هادی‌ها یافت می‌شوند. متداول‌ترین 2DEG لایه‌ای از الکترون‌های موجود در ماسفت‌ها (ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی) است. هنگامی که ترانزیستور در حالت وارونگی است، الکترون‌های زیر اکسید گیت به رابط نیمه‌رسانا-اکسید محدود می‌شوند و بنابراین سطوح انرژی کاملاً مشخصی را اشغال می‌کنند. برای چاه‌های پتانسیل نازک و دماهای نه چندان زیاد، فقط پایین‌ترین سطح اشغال می‌شود (به شرح شکل مراجعه کنید)، و بنابراین حرکت الکترون‌ها عمود بر سطح مشترک را می‌توان نادیده گرفت. با این حال، الکترون آزاد است که به موازات سطح مشترک حرکت کند، و به همین ترتیب شبه-دو بعدی است. روش‌های دیگر برای مهندسی 2DEG ترانزیستورهای با تحرک الکترون بالا (HEMT) و چاه‌های کوانتومی مستطیلی هستند. HEMTها ترانزیستورهای اثر میدانی هستند که از پیوند ناهمگون بین دو ماده نیمه‌رسانا برای محدود کردن الکترون‌ها به یک چاه کوانتومی مثلثی استفاده می‌کنند. | ## بخش 2: گاز الکترونی دو بعدی | الکترون محدود به نامتجانس HEMTs نشان بالاتر تحرک از کسانی که در ماسفت، از دستگاه سابق با بهره‌گیری از عمد کانال بدون دوپه در نتیجه موجب کاهش اثرات زیان آور پراکندگی ناخالصی یونیزه می‌شود. دو رابط ناهمگونی با فاصله نزدیک ممکن است برای محدود کردن الکترون‌ها به یک چاه کوانتومی مستطیلی استفاده شود. انتخاب دقیق مواد و ترکیبات آلیاژی امکان کنترل چگالی حامل در 2DEG را فراهم می‌کند. برای مثال، الکترون‌های آزاد روی سطح هلیوم مایع شناور می‌شوند و آزادانه در طول سطح حرکت می‌کنند، اما به هلیوم می‌چسبند. علاوه بر هلیوم مایع، عایق‌های جامد (مانند عایق‌های توپولوژیکی) نیز وجود دارند که از حالت‌های الکترونیکی سطح رسانا پشتیبانی می‌کنند. اخیراً، مواد جامد نازک اتمی (گرافن، و همچنین دی‌کالکوژنید فلزی مانند دی سولفید مولیبدن) ساخته شده‌اند که در آن الکترون‌ها تا حد زیادی محدود شده‌اند. سیستم الکترونی دو بعدی در گرافن می‌تواند به هر یک از 2DEG یا 2DHG (2-D گاز حفره) توسط‌های راهگاهی یا شیمیایی دوپینگ تنظیم می‌شود. این موضوع به دلیل کاربردهای چندمنظوره گرافن (بعضی از موارد موجود اما عمدتاً پیش‌بینی شده) موضوع تحقیقات فعلی بوده‌است. اگرچه هر دو طرف ساختار ناهمسان عایق هستند، 2DEG در سطح مشترک ممکن است حتی بدون دوپینگ (که رویکرد معمول در نیمه هادی‌ها است) ایجاد شود. منشأ این 2DEG هنوز ناشناخته است، اما ممکن است شبیه به دوپینگ مدولاسیون در نیمه هادی‌ها باشد، با فضای خالی اکسیژن ناشی از میدان الکتریکی که به عنوان مواد ناخالص عمل می‌کند. | ## بخش 3: گاز الکترونی دو بعدی | آزمایش‌ها تحقیقات قابل توجهی در مورد 2DEG و 2DHG انجام شده‌است و تا به امروز ادامه دارد. 2DEGها یک سیستم بالغ از الکترون‌های با تحرک بسیار بالا، به ویژه در دماهای پایین، ارائه می‌دهند. وقتی تا 4 K خنک شود، 2DEG ممکن است تحرک داشته باشد از سفارش 1,000,000 cm 2 /Vs و دماهای پایین‌تر می‌تواند منجر به افزایش شود. ساختارهای ناهمسان پیشرفته و پیشرفته با قابلیت تحرک حدود ۳۰٬۰۰۰٬۰۰۰ سانتی‌متر 2 (V.s) ساخته شده‌است. این تحرکات عظیم بستر آزمایشی را برای کاوش در فیزیک بنیادی فراهم می‌کند، زیرا علاوه بر محصور شدن و جرم مؤثر، الکترون‌ها اغلب با نیمه‌هادی برهم‌کنش نمی‌کنند، گاهی اوقات چندین میکرومتر را قبل از برخورد طی می‌کنند. این به اصطلاح مسیر آزاد معنی است را می‌توان در تقریب باند به صورت سهموی تخمین زد جایی که چگالی الکترون در ۲ درجه است. تحرک سیستم‌های 2DHG کوچک‌تر از اکثر سیستم‌های 2DEG است که تا حدی به دلیل جرم‌های مؤثر بزرگ‌تر سوراخ‌ها است (چند 1000 cm 2 /(V·s) در حال حاضر می‌تواند تحرک بالا در نظر گرفته شود). گذشته از اینکه امروزه در هر دستگاه نیمه هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم‌های دو بعدی امکان دسترسی به فیزیک جالب را فراهم می‌کنند. اثر هال کوانتومی برای اولین بار در ۲ درجه مشاهده شد، که منجر به دو جایزه نوبل در فیزیک شد، کلاوس فون کلیتسینگ در سال ۱۹۸۵، و رابرت بی لافلین، هورست ال استورمر و دانیل سی تسویی در 1998. طیف یک 2DEG مدوله شده جانبی (یک ابرشبکه دو بعدی) که در معرض میدان مغناطیسی B است را می‌توان به عنوان پروانه Hofstadter نشان داد، یک ساختار فراکتال در نمودار انرژی در مقابل B، که نشانه‌هایی از آن در آزمایش‌های حمل و نقل مشاهده شد. | ## جمع‌بندی | تبلور ویگنر در میدان مغناطیسی نوسانات مقاومت مغناطیسی ناشی از مایکروویو کشف شده توسط RG Mani و همکاران.