Kétdimenziós elektrongáz
A szilárdtestfizikában a kétdimenziós elektrongáz (rövidítéssel gyakran 2DEG) egy bizonyos félvezető eszközökben fellépő jelenség és az azt leíró modell neve. Lényege, hogy az elektronok a tér két irányában szabadon elmozdulhatnak, míg a harmadik irányban kvantumbezárás érvényesül, így sajátos elektromos transzportjellemzőkkel rendelkező réteg alakul ki az anyagban.
Az elektronok számára megengedett kvantumállapotok a bezárási irányban diszkrét energiaszintekre válnak el egymástól, mozgásuk pedig gyakorlatilag csak a kétdimenziós elektrongáz síkjában történik.
A kétdimenziós elektrongáz kialakulása több ma használt elektronikus eszköz alapvető eleme, így például MOSFET-ekben és HEMT-eszközökben is alkalmazzák. Az alapkutatásban jelenleg is élénk figyelem kíséri a grafénen és az átmenetifém-dikalkogenidekben kialakuló kétdimenziós elektrongázt, illetve ezek tudományos alkalmazási lehetőségeit.
Megfelelője elektronlyukak esetén a kétdimenziós elektronlyukgáz (angol rövidítéssel 2DHG).
Fizikai jellemzése
szerkesztésKialakítása
szerkesztésA két dimenzióra korlátozódó vezető tartományok például a fém-oxid-félvezető (MOS), vagy félvezető-félvezető, illetve szigetelő-szigetelő heteroátmenetes szerkezetek jellemző elemei. Egy MOSFET tranzisztorban a félvezető-szigetelő határfelületen, vagy egy HEMT-eszközben a két félvezető határfelületén kétdimenziós elektrongáz alakulhat ki.[1]
Mindkét fent említett eszközben akkor jöhet létre kétdimenziós elektrongáz, ha a határfelületen a termikus egyensúly beálltakor végbemenő sávelhajlások következtében a vezetési sávél a Fermi-szint alá kerül (lásd a lenti HEMT-ábrán a sárgával jelölt háromszögű tartományt). Ezen tartományban a vezetési sávnak megfelelő állapotsűrűség lenne érvényes, tehát a félvezető anyag ebben a csatornában vezető jellegűvé válik válna. Azonban a térbeli bezártság miatt kvantumbezárási jelenség is fellép, ezért a felületre merőlegesen csak energiában kvantált állapotok megengedettek.
Elektronszerkezete
szerkesztésA kétdimenziós elektrongáz-tartományt jellemzően úgy modellezik, hogy a síkjába eső irányokban kiterjedt, arra merőlegesen pedig potenciálgödör-jellegű megoldásokat vesznek számításba.
Példák 2DEG-ra
szerkesztésMOS-tranzisztorok
szerkesztésA MOSFET a térvezérlésű tranzisztorok egy fajtája, amelyet fém-oxid-félvezető rétegszerkezetből alakítanak ki. Az eszközben a kapcsolási jelenséget úgy valósítják meg, hogy egy félvezetőben kapuelektróda téreffektusával sávelhajlást idéznek elő, melynek következtében a vezetési sáv alja elmozdul a Fermi-szinthez képest. Nyitóirányú előfeszítés esetén, ha a kapufeszültség meghaladja a küszöbfeszültséget, az eszköz félvezető-szigetelő határfelületének félvezető felé eső oldalán akkumulációs réteg, majd inverziós réteg alakul ki. Az inverzióba kerülő vezetési sávélen kétdimenziós elektrongáz alakul ki, ha a sávél a Fermi-szint alá ér.
HEMT-eszközök
szerkesztésA nagy elektronmobilitású tranzisztor (angol rövidítéssel gyakran HEMT) heteroszerkezetből kialakított tranzisztor, mely két különböző félvezető határfelületi jelenségein alapul. A két félvezető lényegi különbsége azok sávszerkezetében van: a tiltott és megengedett sávok energiaszintje illetve a kilépési munka bennük eltérő. A közös határfelületükön a termikus egyensúly beálltakor ezért sávelhajlás jelentkezik. Ha olyan félvezetőket alakítanak ki, melyekben a sávelhajlás kellő mértékű, a felület egy tartományában inverziós réteg alakulhat ki, mely kétdimenziós elektrongázként viselkedhet.
Mivel a GaAs és az AlGaAs anyagok rácsállandója közel azonos, viszont tiltott sávjuk, kilépési munkájuk, és kémiai potenciáljuk különböző. Ezért ezen anyagok alkalmazása elterjedt a HEMT-eszközökben. A rácsillesztéssel, azaz epitaxiálisan egymásra növeszthető rétegek előnye, hogy a felület mentén kevés a hibahely, így kevés az elektronok mozgását akadályozó szórócentrum. A GaAs/AlGaAs heteroátmenet epitaxiális növesztéssel, például molekulasugaras epitaxiával alakítható ki.[1]
Nanoréteg-szerkezetek
szerkesztésA 2010-es évek sok újdonságot hoztak az atomi nanorétegek terén, melyek jellemzően egy- vagy néhány atomnyi vastagságú rétegek. Nevezetes példa a grafén, illetve egyes átmenetifém-dikalkogenid nanoszerkezetek, mint például a szendvicsszerkezetű molibdén-diszulfid atomi réteg.[2] E szerkezetekben az elektron mindössze néhány atomnyi vastagságú tartományba szorul. Grafén esetén dópolással, vagy kapuelektróda téreffektusával létrehozható kétdimenziós elektrongáz, vagy elektronlyukak kétdimenziós gáza.
Egyéb megvalósítások
szerkesztésA jelenség megfigyelésének egy korai példájában nem szilárdtest-határfelületen, hanem anyagtartomány külső felületén tapasztaltak kétdimenziós elektrongázt. Sommer 1964-es közleményében folyékony hélium felületén kialakuló állapotokon elmozdulni képes elektronokról számolt be.[3] A folyékony héliumon kívül más szigetelő anyagok esetében is tapasztalták felületi állapotok megjelenése következtében kialakuló vezető felületi csatornák létrejöttét. Ilyen jelenség lép fel például a topologikus szigetelőkben is.
A HEMT-hez hasonló, de félvezetők helyett két szigetelőből kialakított heteroátmeneten is létrejöhet elektrongáz. A ZnO/ZnMgO határátmeneten akár dópolás nélkül, csupán a sávelhajlások miatt kialakulhat kétdimenziós vezető réteg,[4] hasonlót figyeltek meg ezen kívül LaAlO3/SrTiO3 átmeneten[5] és más anyagokban.[6][7]
Jegyzetek
szerkesztés- ↑ a b Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái - Fizipedia (magyar nyelven). fizipedia.bme.hu. (Hozzáférés: 2017. december 10.)
- ↑ Kaasbjerg 2014.
- ↑ Sommer 1964.
- ↑ Kozuka 2011.
- ↑ Ohtomo et al., A. (2004). „A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface”. Nature 427 (6973), 423–426. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nature02308. ISSN 0028-0836. (Hozzáférés: 2017. december 11.)
- ↑ Hwang et al., H. Y. (2012. január 24.). „Emergent phenomena at oxide interfaces” (angol nyelven) (PDF). Nature Materials 11 (2), 103–113. o, Kiadó: Springer Nature. [2017. augusztus 9-i dátummal az eredetiből archiválva]. DOI:10.1038/nmat3223. ISSN 1476-1122. (Hozzáférés: 2017. december 11.)
- ↑ King et al., P. D. C. (2012. március 14.). „Subband Structure of a Two-Dimensional Electron Gas Formed at the Polar Surface of the Strong Spin-Orbit PerovskiteKTaO3”. Physical Review Letters 108 (11), Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevlett.108.117602. ISSN 0031-9007. (Hozzáférés: 2017. december 11.)
Fordítás
szerkesztésEz a szócikk részben vagy egészben a Two-dimensional electron gas című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
Források
szerkesztésSzakkönyvek
szerkesztés- Charles Kittel: Bevezetés a szilárdtest-fizikába. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1981.
- Quantum Semiconductor Structures: Fundamentals and Applications. Academic Press (1991. november 4.). ISBN 0-12-742680-9
- The Physics of Low-dimensional Semiconductors: An Introduction. Cambridge University Press (1997. november 4.). ISBN 0-521-48148-1
- Sólyom Jenő: A modern szilárdtest-fizika alapjai II: Fémek, félvezetők, szupravezetők. Budapest: ELTE Eötvös Kiadó. 2010. ISBN 9789633120286
Tudományos közlemények
szerkesztés- Sommer, W. T. (1964. március 16.). „Liquid Helium as a Barrier to Electrons”. Physical Review Letters 12 (11), 271–273. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevlett.12.271. ISSN 0031-9007.
- Kozuka et al., Y. (2011. július 25.). „Insulating phase of a two-dimensional electron gas in MgxZn1−xO/ZnO heterostructures belowν=13”. Physical Review B 84 (3), Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevb.84.033304. ISSN 1098-0121. (Hozzáférés: 2017. december 11.)
- Kaasbjerg et al., Kristen (2014. október 30.). „Hot-electron cooling by acoustic and optical phonons in monolayers ofMoS2and other transition-metal dichalcogenides”. Physical Review B 90 (16), Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevb.90.165436. ISSN 1098-0121. (Hozzáférés: 2017. december 11.)
Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok
szerkesztés- Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái - Fizipedia (magyar nyelven). fizipedia.bme.hu. (Hozzáférés: 2017. december 10.)