二维电子气的物理特性与应用

引言

二维电子气（2DEG）是指在二维空间中自由运动的电子气体，通常存在于半导体异质结构、石墨烯、拓扑绝缘体等材料中。由于其独特的量子特性和电子行为，二维电子气在凝聚态物理、材料科学及电子工程等领域引起了广泛关注。

二维电子气的基本概念

二维电子气的形成通常依赖于外部电场或物质的结构特性，使得电子的运动仅限于二维平面。在这种体系中，电子的运动不再是经典意义上的三维运动，而是量子化的，表现出特定的能带结构。

量子化效应

在二维空间中，电子的运动受到限制，导致其能量状态发生量子化。在低温条件下，电子的行为可以用量子力学来描述，出现了量子霍尔效应、量子反常霍尔效应等现象。

电子密度与温度

二维电子气的特性与其电子密度和温度密切相关。高电子密度会导致强烈的电子相互作用，从而影响其传导性质和相变行为。同时，温度的变化也会对电子的行为产生显著影响，例如在低温下，电子的散射机制发生变化，电导率显著提高。

二维电子气的特性

电子传导

在二维电子气中，电子的传导机制与三维系统不同。电子的运动主要受到散射的影响，散射机制可以是杂质散射、声子散射等。二维电子气中的电导率可以通过以下公式描述：

�=��2��σ=mne2τ

其中，�n为电子密度，�e为电子电荷，�τ为散射时间，�m为电子有效质量。

量子霍尔效应

当外部磁场垂直于二维电子气平面时，会出现量子霍尔效应。这种效应表现为电导量子化，即电导的值是基本电导单位（�2/ℎe2/h）的整数倍。量子霍尔效应不仅提供了基础物理研究的重要课题，也为高精度的电阻标准提供了基础。

超导性

在某些条件下，二维电子气还可能展现超导性，特别是在高温超导材料中。超导性是指材料在低温下电阻消失的现象，与电子的配对行为密切相关。研究二维电子气中的超导现象，有助于理解超导机制及其潜在应用。

二维电子气的应用

电子器件

二维电子气在现代电子器件中具有重要应用。其高电子迁移率和可调电子性质使其成为下一代电子器件的理想材料。特别是在场效应晶体管（FET）中，二维电子气可以用于提高开关速度和降低功耗。

量子计算

二维电子气在量子计算领域也展现了潜力。利用其量子特性，可以构建量子比特（qubits），实现量子信息处理和存储。研究者正在探索通过控制二维电子气的相互作用，实现量子纠缠和量子逻辑门的构建。

储能设备

在储能设备方面，二维材料（如石墨烯）能够用于制造超级电容器和电池电极。二维电子气的高表面积和良好的导电性使其成为高效储能材料的候选者。

结论

二维电子气作为一种重要的物理现象，不仅在基础科学研究中提供了丰富的课题，也在现代技术应用中展现了广泛的前景。随着材料科学和纳米技术的发展，二维电子气的研究将继续推动新材料的发现和新技术的应用，为未来的电子器件和量子计算提供新的可能性。

单金属氧化物中氧空位诱导阴离子电子及其在氨合成中的潜在应用

电子化合物是一类非核局域电子为阴离子的新型功能材料 ，这些非核局域电子通常聚集在结构间隙位置，在费米能级附近形成独特的间隙能带，对材料的输运特性、电磁性、超导性等产生影响，也可作为电子源为物理过程和化学反应提供电子，在电子发射器、催化剂和离子电池等领域具有应用前景。自从第一个电子化合物被James L. Dye等于1982年发现后，越来越多的电子化合物被预测和合成。尽管如今已有大量的电子化合物被实验合成或理论预测，但当前已知的拥有低功函数的电子化合物通常不具有良好的热稳定性和化学稳定性，限制了电子化合物的应用。

图1：CeO负载Ru团簇催化合成氨示意图

传统的电子化合物设计理念主要从具有过量电子的离子固体中寻找候选材料，或基于已知电子化合物材料进行元素替代。通过引入空位来探索电子化合物是一个不受现有材料限制的替代方案。[CaAlO]（4e）（C12A7）是著名的由氧空位形成的电子化合物，它同时拥有良好的稳定性和低功函数，因此，将活泼的电子阴离子“藏”在金属氧化物的氧空位中，通过周围的金属-氧键稳定电子阴离子，有望解决低功函数电子化合物的稳定性问题。

图2：空位诱导阴离子电子型电子化合物的高通量筛选过程与示意图。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心杜世萱研究团队受C12A7的启发，提出从氧化物中寻找氧空位诱导形成阴离子电子的电子化合物。 他们从Material Project数据库出发，寻找单金属氧化物中的空位诱导阴离子电子和电子化合物。考虑到C12A7氧空位内相对较小的电子局域函数值（ELF=0.45）和局域电子态密度（仅0.018 eV），团队引入了一种基于C12A7氧空位内ELF值和局域电子态密度来判定是否是电子化合物的新标准。通过高通量计算，团队首先发现了13个氧化物电子化合物，进一步引入氧空位发现了9个具有空位诱导阴离子电子的电子化合物。在考虑稳定性后，共获得14个稳定的电子化合物，其中一半的电子化合物是新发现的。CeO和NbO因同时具有高稳定性和低功函数脱颖而出。其中的CeO是通过CeO产生1/4氧空位获得，而CeO早在1979年已有实验上合成的报道。声子谱和形成能的计算显示CeO同时具有高的动力学和热力学稳定性，进一步的计算表明，CeO在无序和低浓度氧空位条件下也表现出与 CeO 类似的电子化合物的性质。

图3：空位诱导电子化合物NbO在阴离子电子减少过程中的局域电子函数和电子态密度演化。

C12A7可负载催化剂应用于合成氨 ，该工作也探讨了CeO负载的Ru催化剂应用于合成氨的可行性。影响合成氨效率的关键因素包括H的储存和扩散，而C12A7的氧空位浓度较低（至多3%），造成反应过程中H的储存容量受限，H扩散势垒高（3.2 eV），限制了氨合成反应速率。理论计算表明CeO负载的Ru催化剂具有低的N活化能以及比C12A7更低的氢扩散势垒（CeO: 2.52 eV, C12A7: 3.2 eV），氧空位数量（25%）也多于C12A7（3%），在氨合成方面具有应用潜力。具有无序和低浓度氧空位的CeO同样可应用于合成氨中。

图4：空位诱导电子化合物CeO的高稳定性和电子结构。

这些发现不仅为电子化合物的设计和筛选提供了新的途径，也为解决电子化合物负载氨催化剂的应用难点提供了新的思路。这项研究中的氧空位诱导电子化合物的新标准也将为其它更加复杂的氧空位诱导电子化合物的筛选提供了参考。

图5：CeO负载Ru参与氨合成催化的功函数、N活化势垒和H扩散势垒。

该工作以"Vacancy-Induced Anionic Electrons in Single-Metal Oxides and Their Possible Applications in Ammonia Synthesis"为题发表于，博士研究生杨靖宇为第一作者，杜世萱研究员为通讯作者。该工作得到了中国科学院、国家自然科学基金(61888102, 52272172, 11974045)，国家自然科学基金重大项目(92163206)，国家重点研发计划(2021YFA1201501)，科技部重点研发项目(2022YFA1204100)等项目的支持。

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编辑：ArtistET

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