ก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติ ( 2DEG ) เป็นแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ในฟิสิกส์ของของแข็งมันคือก๊าซอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในสองมิติ แต่ถูกจำกัดอย่างแน่นหนาในมิติที่สาม การจำกัดอย่างแน่นหนานี้ทำให้เกิดระดับพลังงาน ควอนตัม สำหรับการเคลื่อนที่ในทิศทางที่สาม ซึ่งสามารถละเลยได้ในปัญหาส่วนใหญ่ ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงดูเหมือนเป็นแผ่นสองมิติที่ฝังอยู่ในโลกสามมิติ โครงสร้างที่คล้ายกันของโฮลเรียกว่าก๊าซโฮลสองมิติ (2DHG) และระบบดังกล่าวมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์และน่าสนใจมากมาย

2DEG ส่วนใหญ่พบใน โครงสร้างคล้าย ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ 2DEG ที่พบได้บ่อยที่สุดคือชั้นอิเล็กตรอนที่พบในMOSFET ( ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะ-ออกไซด์-สารกึ่งตัวนำ ) เมื่อทรานซิสเตอร์อยู่ในโหมดอินเวอร์ชั่นอิเล็กตรอนที่อยู่ใต้ชั้นออกไซด์ของเกตจะถูกจำกัดอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างสารกึ่งตัวนำกับออกไซด์ และจึงครอบครองระดับพลังงานที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน สำหรับบ่อศักย์ที่บางพอและอุณหภูมิที่ไม่สูงเกินไป จะมีเพียงระดับต่ำสุดเท่านั้นที่ถูกครอบครอง (ดูคำอธิบายภาพ) ดังนั้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในแนวตั้งฉากกับส่วนต่อประสานจึงสามารถละเลยได้ อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ขนานกับส่วนต่อประสานได้อย่างอิสระ ดังนั้นจึงมีลักษณะกึ่งสองมิติ

วิธีการอื่นๆ ในการสร้าง 2DEG ได้แก่ทรานซิสเตอร์ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง (HEMT) และบ่อควอนตัมรูป สี่เหลี่ยมผืนผ้า HEMT เป็นทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าที่ใช้เฮเทอโรจังก์ชันระหว่างวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดเพื่อกักอิเล็กตรอนไว้ในบ่อควอนตัมรูป สามเหลี่ยม อิเล็กตรอนที่ถูกกักไว้ในเฮเทอโรจังก์ชันของ HEMT จะมีความคล่องตัว สูงกว่า ใน MOSFET เนื่องจากอุปกรณ์ชนิดแรกใช้ช่องสัญญาณที่ไม่ได้เจือปน โดยเจตนา จึงช่วยลดผลเสียจากการกระเจิงของสิ่งเจือปนที่แตกตัวเป็นไอออนสามารถใช้เฮเทอโรจังก์ชันสองจุดที่อยู่ใกล้กันเพื่อกักอิเล็กตรอนไว้ในบ่อควอนตัมรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า การเลือกวัสดุและองค์ประกอบของโลหะผสมอย่างระมัดระวังจะช่วยให้สามารถควบคุมความหนาแน่นของตัวนำภายใน 2DEG ได้

อิเล็กตรอนอาจถูกจำกัดอยู่ที่พื้นผิวของวัสดุได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนอิสระจะลอยอยู่บนพื้นผิวของฮีเลียมเหลวและสามารถเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวได้อย่างอิสระ แต่จะเกาะติดกับฮีเลียม งานวิจัยแรกๆ เกี่ยวกับ 2DEG บางส่วนทำโดยใช้ระบบนี้นอกจากฮีเลียมเหลวแล้ว ยังมีฉนวนแข็ง (เช่นฉนวนเชิงทอพอโลยี ) ที่รองรับสถานะอิเล็กตรอนบนพื้นผิวที่เป็นตัวนำได้ อีกด้วย

เมื่อเร็วๆ นี้ มีการพัฒนาวัสดุแข็งที่มีความบางระดับอะตอม (เช่นกราฟีนรวมถึงโลหะไดแคลโคเจนิก เช่นโมลิบเดนัมไดซัลไฟด์ ) ซึ่งอิเล็กตรอนถูกจำกัดอย่างมาก ระบบอิเล็กตรอนสองมิติในกราฟีนสามารถปรับให้เป็น 2DEG หรือ 2DHG (ก๊าซโฮลสองมิติ) ได้โดยการควบคุมหรือการเติม สารเคมี นี่เป็นหัวข้อการวิจัยในปัจจุบันเนื่องจากกราฟีนมีการใช้งานที่หลากหลาย (บางส่วนมีอยู่แล้ว แต่ส่วนใหญ่ยังเป็นเพียงการคาดการณ์)

ออกไซด์เป็นเฮเทอโรโครงสร้างอีกประเภทหนึ่งที่สามารถรองรับ 2DEG ได้ แม้ว่าทั้งสองด้านของเฮเทอโรโครงสร้างจะเป็นฉนวน แต่ 2DEG ที่ส่วนต่อประสานอาจเกิดขึ้นได้แม้ไม่มีการเจือปน (ซึ่งเป็นวิธีการปกติในสารกึ่งตัวนำ) ตัวอย่างทั่วไปคือเฮเทอโรโครงสร้าง ZnO/ZnMgO สามารถพบตัวอย่างเพิ่มเติมได้ในบทวิจารณ์ล่าสุดรวมถึงการค้นพบที่น่าสนใจในปี 2004 ซึ่งเป็น 2DEG ที่ส่วนต่อประสานLaAlO ₃ /SrTiO ₃ ซึ่งกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ ที่มาของ 2DEG นี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่อาจคล้ายกับการเจือปนแบบโมดูเลชันในสารกึ่งตัวนำ โดยมีช่องว่างออกซิเจนที่เหนี่ยวนำด้วยสนามไฟฟ้าทำหน้าที่เป็นสารเจือปน

มีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับ 2DEG และ 2DHG และยังคงดำเนินต่อไปจนถึงปัจจุบัน 2DEG นำเสนอระบบที่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ สูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิต่ำ เมื่อทำให้เย็นลงถึง 4 K 2DEG อาจมีความคล่องตัว ในระดับ 1,000,000 cm² V·s และอุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้สามารถนำไปสู่การเพิ่มขึ้นได้อีกมีการสร้างโครงสร้างเฮเทอโรแบบพิเศษที่มีความคล่องตัวประมาณ 30,000,000 cm² ความคล่องตัวมหาศาลเหล่านี้เป็นสนามทดสอบสำหรับการสำรวจฟิสิกส์พื้นฐาน เนื่องจากนอกจากการกักขังและมวลยังผลแล้วอิเล็กตรอนยังไม่ค่อยมีปฏิสัมพันธ์กับสารกึ่งตัวนำบ่อยนัก บางครั้งอาจเดินทางหลายไมโครเมตรก่อนที่จะชนกัน ระยะทางอิสระเฉลี่ยนี้สามารถประมาณได้ในการประมาณแถบพาราโบลาเป็น ${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \ell }$

${\displaystyle \ell =v_{\rm {F}}\tau ={\sqrt {2\pi n}}{\frac {\hbar \mu }{e}}\ประมาณ 5.2\ \mu \mathrm {m} \times \mu \ [10^{6}\ \mathrm {cm^{2}/Vs} ]{\sqrt {n\ [10^{11}\ \mathrm {ซม^{-2}} ]}}}$

ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนใน 2DEG อยู่ที่ใด โปรดทราบว่าโดยทั่วไป จะขึ้นอยู่กับความคล่องตัวของระบบ 2DHG มีขนาดเล็กกว่าระบบ 2DEG ส่วนใหญ่ ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากมวลยังผลของโฮลที่ใหญ่กว่า (ไม่กี่พัน cm /(V·s) ก็ถือว่ามีความคล่องตัวสูงแล้ว ) ${\displaystyle n}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle n}$

นอกจากจะพบได้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แทบทุกชนิดที่ใช้ในปัจจุบันแล้ว ระบบสองมิติยังช่วยให้เข้าถึงฟิสิกส์ที่น่าสนใจได้ อีกด้วย ปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ถูกสังเกตครั้งแรกใน 2DEG ซึ่งนำไปสู่รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ สองรางวัล ได้แก่ รางวัลของKlaus von Klitzingในปี 1985 และรางวัลของRobert B. Laughlin , Horst L. StörmerและDaniel C. Tsuiในปี 1998 สเปกตรัมของ 2DEG ที่ถูกปรับเปลี่ยนในแนวด้านข้าง ( ซูเปอร์แลตติซสองมิติ) ภายใต้สนามแม่เหล็กBสามารถแสดงได้เป็นผีเสื้อของ Hofstadterซึ่งเป็นโครงสร้างแฟรกทัลในกราฟพลังงานเทียบกับBซึ่งสังเกตพบสัญญาณของมันในการทดลองการขนส่งมีการศึกษาปรากฏการณ์ที่น่าสนใจอีกมากมายที่เกี่ยวข้องกับ 2DEG [A]

• ก๊าซสองมิติ

• A. ตัวอย่างเพิ่มเติมของฟิสิกส์ 2DEG การควบคุมโพลาไรเซชันสปิน 2DEG อย่างสมบูรณ์ ได้รับการสาธิตแล้วเป็นไปได้ว่าสิ่งนี้อาจเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมการตกผลึกวิกเนอร์ในสนามแม่เหล็ก การแกว่งของความต้านทานแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำด้วยไมโครเวฟที่ค้นพบโดย RG Mani และคณะความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของอนุภาคกึ่งอะเบเลียนในปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์เศษส่วนที่ปัจจัยการเติม 5/2

• ไวส์บุค, ซี.; วินเทอร์, บี. (1991). โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ควอนตัม: หลักการพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ . สำนักพิมพ์วิชาการ . ISBN 0-12-742680-9.
• Davies, JH (1997). ฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำมิติlต่ำ: บทนำ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ . ISBN 0-521-48148-1.