¿Cómo se forma el 2DEG?

2DEG (gas electrónico de 2 dimensiones) es un sistema en el que los electrones pueden moverse libremente en dos direcciones, pero están estrechamente confinados en la tercera dirección. Hay varias maneras de lograr esto:

Helio liquido

El helio líquido es el sistema 2DEG más primitivo. Los electrones quedan atrapados en la superficie del helio líquido, pero pueden moverse libremente a lo largo de la superficie. Algunos de los primeros trabajos de 2DEG se realizaron sobre helio líquido.

MOSFET

Cuando se enciende un MOSFET, se aplica un voltaje a la compuerta, que atrae electrones a una capa muy delgada debajo del óxido de la compuerta. Los electrones pueden moverse libremente a lo largo de la interfaz, pero no pueden dejarlo.

HEMT

Al igual que MOSFET, HEMT (transistor de alta movilidad de electrones) también es un transistor semiconductor. HEMT se forma al empaquetar dos capas de semiconductores heterólogos juntas, con una dopada y la otra sin dopar. Debido a que la capa sin dopar tiene un nivel de energía más bajo, los electrones en la capa dopada se difunden a la capa sin doparse y se acumulan en la interfaz, formando un 2DEG. Debido a que no hay dispersión causada por las impurezas, los electrones en el HEMT tienen una movilidad mucho mayor que el MOSFET.

Materiales 2D

Los materiales 2D, como el grafeno, contienen una sola capa de átomos, por lo que son inherentemente 2DEG siempre que puedan conducir electricidad.

Aislante topologico

El aislador topológico es un tipo especial de material, que siempre es aislante en su interior, pero siempre es conductor en su superficie, por lo que la superficie del aislador topológico también es un sistema 2DEG. (PD: dado que los superconductores solo conducen electricidad a la superficie, no sé si también es un 2DEG)

Un aspecto interesante de 2DEG es que debido a que los electrones solo pueden moverse en dos dimensiones, se comportan de manera muy diferente a los electrones en los conductores a granel convencionales. Un ejemplo es Quantum Hall Effect , que se ha observado en varios sistemas 2DEG. El efecto Hall cuántico entero se observó por primera vez en MOSFET, que también fue la primera observación de QHE. El efecto Hall cuántico fraccional se observó en HEMT. El efecto Hall cuántico de espín se observó en aisladores topológicos. QHE también se observa en el grafeno. A diferencia de otros QHE que requieren una temperatura criogénica, QHE en grafeno se puede observar a temperatura ambiente.

Referencia: gas de electrones bidimensional – Wikipedia

Bueno, el gas de electrones bidimensional (2DEG) es un modelo científico en la física del estado sólido. Es un gas de electrones que se puede mover libremente en dos dimensiones, pero estrechamente confinado en la tercera. Este confinamiento estricto conduce a niveles de energía cuantificados para el movimiento en la tercera dirección, que luego pueden ignorarse para la mayoría de los problemas. Así, los electrones parecen ser una hoja 2D incrustada en un mundo 3D. 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 más común es la capa de electrones que se encuentra en los MOSFET. Cuando el transistor está en modo de inversión, los electrones que se encuentran debajo del óxido de la puerta están confinados a la interfaz de óxido de semiconductor y, por lo tanto, ocupan niveles de energía bien definidos. Casi siempre, solo se ocupa el nivel más bajo y, por lo tanto, 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 también lo es casi 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 heterounión entre dos materiales semiconductores para limitar los electrones a un pozo cuántico triangular. Los electrones confinados a la heterounión de los HEMT exhiben movilidades más altas que los de los MOSFET, ya que el primer dispositivo utiliza un canal intencionalmente sin dopaje, lo que mitiga el efecto perjudicial de la dispersión de impurezas ionizadas. Se pueden usar dos interfaces de heterounión muy separadas para confinar los electrones a un pozo cuántico rectangular. La elección cuidadosa de los materiales y las composiciones de aleación permiten el control de las densidades de los portadores dentro del 2DEG.

Se pueden encontrar más ejemplos en una revisión que incluye un descubrimiento notable de 2004, un 2DEG en la interfaz LaAlO3 / SrTiO3 que se convierte en superconductor a bajas temperaturas.