"גז" אלקטרונים דו-מימדי, הינו "גז" של אלקטרונים, החופשיים לנוע על גבי משטח , כלומר בשני מימדים (נקרא להם X, ו Y), אך מוגבלים, ואינם מסוגלים לנוע במימד השלישי (נקרא לו Z).

השיטה הנפוצה ביותר ליצירת גז אלקטרונים דו ממדיים, הינה חיבור של שני חומרים שונים, ויצירת בור פוטנציאל הכולא את האלקטרונים למשטח המחבר את שני החומרים. עומק הבור גדול בהרבה מן האנרגיה הזמינה לאלקטרונים (הטמפרטורה), ועל כן הם אינם יכולים להימלט ממנו ומוגבלים לנוע בשני ממדים בלבד.

אם צפיפות האלקטרונים במשטח נמוכה מאוד, הם כמעט ואינם מרגישים האחד את השני (על אף הדחייה החשמלית שיש ביניהם), ומתנהגים כמעט כגז חופשי המתפשט בחלל (אם כי גז קוונטי, ולא קלאסי, כלומר יש לקחת בחשבון את השפעת תכונותיהן הקוונטיות של האלקטרונים על מנת לחזות את התנהגות הגז). זהו המקור לשם – גז אלקטרונים דו ממדי.

דרך אחת ליצור גז שכזה הוא בין מוליך למחצה, למבודד. לרוב נוצרים גזים אלו במשטח המגע שבין סיליקון לתחמוצת סיליקון. תחמוצת הסיליקון הינה חומר מבודד, כאשר מונחת אלקטרודה חשמלית מעל התחמוצת וממותחת במתח חיובי נמשכים אליה אלקטרונים מהסיליקון, אולם הם אינם יכולים לחצות את התחמוצת המבודדת, ונכלאים במשטח המגע בין תחמוצת הסיליקון לסיליקון. היתרון של שיטה זו, הינה שהיא עושה שימוש בסיליקון, הרכיב הנפוץ ביותר בתעשיית האלקטרוניקה. החיסרון הינו שתחמוצת הסיליקון הינה חומר אמורפי – בלתי מסודר, ועל כן הוא שונה מאוד מן הסיליקון. ההבדל בין שני החומרים יוצר לחץ ותנאים נוספים המקשים על תנועת האלקטרונים, והם אינם חופשיים לחלוטין לנוע בשני הממדים (X ו Y), ועל כן הניידות של האלקטרונים וההולכה החשמלית של הגז נמוכה.

טכניקה נוספת הינה על ידי יצירת מבנה הטרוגני, כלומר מבנה המורכב משני מוליכים למחצה בעלי תכונות דומות, המגודלים האחד על גבי השני. ההבדל החשוב בין שני החומרים כאן הוא רמות האנרגיה שלהם. באחד מהחומרים לאלקטרונים יש אנרגיה גבוהה יותר מבחומר השני. במצב כזה, אם אנו מכניסים אלקטרונים רבים לחומר בעל האנרגיה הגבוהה, הם "נשפכים" לכיוון החומר השני על מנת להקטין את כמות האנרגיה שלהם, ונתקעים במשטח שבין שני החומרים, כפי שמוסבר במצגת המצורפת.

היתרון בשיטה זו הינה שלרוב ניתן להשתמש בחומרים דומים מאוד, ולכן בניגוד למקרה של תחמוצת הסיליקון והסיליקון, האלקטרונים לא ירגישו כמעט בהבדל בין החומרים, ויוכלו לנוע בחופשיות רבה במישור (X,Y). מצד שני לרוב החומרים בהם נעשה שימוש (גאליום ארסנייד ונגזרותיו), הינם פחות נפוצים בתעשייה.

מבחינה מדעית לגזי אלקטרונים דו ממדי, במיוחד אלו בהם האלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות, חשיבות רבה. קיימים אפקטים מעניינים המתרחשים אך ורק כאשר האלקטרונים מוגבלים לתנועה דו ממדית, כגון אפקט הול הקוונטי (אשר גרף עד כה שני פרסי נובל לפיזיקה עבור גילוי שני סוגים של אפקט זה), וכתוצאה ממנו, היווצרותם של אניונים.

אולם החשיבות הרבה של גזי אלקטרונים דו ממדית אינה מוגבלת למחקר המדעי האקדמאי, להיפך, חשיבותם לתעשיית האלקטרוניקה הינה מכרעת . גזים אלו הינם הבסיס לפעולתם של טרנזיסטורים רבים. למעשה כל אחד ואחת מאיתנו עושה שימוש בוודאי במיליארדי טרנזיסטורים המכילים גזי אלקטרונים דו ממדים. במחשב שלנו, קיימים טרנזיסטורים מסוג MOSFET בהם נוצרים גזי אלקטרונים דו ממדים בין סיליקון לתחמוצת סיליקון. בטלפונים הסלולאריים שלנו קיימים טרנזיסטורים העושים שימוש בגזי אלקטרונים דו ממדים בעלי ניידות גבוה (כאלו שנוצרו בדרך השנייה שפורטה לעיל) ועוד ועוד.

בשנים האחרונות, עולה השימוש, או לפחות המחקר המדעי של חומר חדש. חומר זה הינו הגרפין, שכבה דו ממדית של גרפייט. מאחר ומדובר בשכבה דו ממדית, האלקטרונים בה מוגבלים באופן טבעי לתנועה בשני ממדים בלבד. האלקטרונים בגרפין נבדלים מן האלקטרונים בגזים שתיארנו לעיל, בפרמטר חשוב – המאסה האפקטיבית של האלקטרון, והם נעים בתוך הגרפין כאילו היו חלקיקים חסרי מאסה. עקב כך מראה הגרפין תכונות חשמליות מרתקות. עוד על גרפין ועל תכונותיו החשמליות ניתן לראות במספר כתבות שפורסמו באתר

תמונות - שלבי יצירת גז אלקטרונים דו ממדי במבנה הטרוגני

שלב ראשון - אם שני החומרים נפרדים זה מזה, יש להם מבנה שונה של אנרגיות כלומר רמת הערכיות ורמת ההולכה בכל אחד מהחומרים שונה. בחומר בעל רמת ההולכה הגבוהה יותר אנו מכניסים אלקטרונים (הכדורים הכחולים) על ידי אילוח.

שלב שני - החומרים מובאים במגע זה עם זה. האלקטרונים זורמים לאנרגיה הנמוכה יותר

שלב שלישי - בגלל השינוי במיקום האלקטרונים והמשיכה החשמלית, כל מבנה האנרגיות מתעוות, ונוצר בור אשר כולא את האלקטרונים בנקודת החיבור בין שני החומרים. הם מוגבלים לתנועה במישור בלבד

חשוב לציין, השלבים הובאו בסדר אשר יקל על הבנת התהליך, מבחינה כרונולוגית החומרים נוצרים האחד על גבי השני ולא בנפרד כפי שצויין פה, ויצירת גז האלקטרונים הינה תופעה אשר מתרחשת באופן מיידי בעת גידול החומר.

 

מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.