Jump to content

Изолятор Мотта

(Перенаправлено с Моттнесс )

Изоляторы Мотта — это класс материалов, которые, как ожидается, будут проводить электричество в соответствии с традиционными зонными теориями , но оказываются изоляторами (особенно при низких температурах). Эти изоляторы не могут быть правильно описаны зонной теорией твердого тела из-за их сильных электрон -электронных взаимодействий, которые не учитываются в традиционной зонной теории. Переход Мотта — это переход от металла к изолятору, обусловленный сильными взаимодействиями между электронами. [1] Одной из простейших моделей, способных отразить переход Мотта, является модель Хаббарда .

Запрещенная зона в изоляторе Мотта существует между полосами одинакового характера, такими как зоны 3d-электронов, тогда как запрещенная зона в изоляторах с переносом заряда существует между анионными и катионными состояниями.

Хотя зонная теория твердых тел оказалась очень успешной в описании различных электрических свойств материалов, в 1937 году Ян Хендрик де Бур и Эверт Йоханнес Виллем Вервей отметили, что различные оксиды переходных металлов, являются проводниками, которые, согласно зонной теории, являются изоляторами. [2] При нечетном числе электронов в элементарной ячейке валентная зона заполняется лишь частично, поэтому уровень Ферми лежит внутри зоны. Из зонной теории это означает, что такой материал должен быть металлом. Этот вывод неверен в нескольких случаях, например, CoO , одного из самых прочных известных изоляторов. [1]

Невилл Мотт и Рудольф Пайерлс также в 1937 году предсказали, что провал зонной теории можно объяснить, включив в нее взаимодействия между электронами. [3]

В 1949 году, в частности, Мотт предложил модель NiO как изолятора, где проводимость основана на формуле [4]

2+ ТО 2− ) 2 → В 3+ ТО 2− + В 1+ ТО 2− .

В этой ситуации образование энергетической щели, препятствующей проводимости, можно понимать как конкуренцию между кулоновским потенциалом U между 3 d -электронами и интегралом переноса t 3 d- электронов между соседними атомами (интеграл переноса является частью сильной связи приближение). полная энергетическая щель Тогда равна

E разрыв = U - 2 zt ,

где z — число ближайших соседей атомов.

В общем, изоляторы Мотта возникают, когда отталкивающий кулоновский потенциал U достаточно велик, чтобы создать энергетическую щель. Одной из простейших теорий изоляторов Мотта является модель Хаббарда 1963 года . Переход от металла к изолятору Мотта при увеличении U можно предсказать в рамках так называемой динамической теории среднего поля .

Мотт рассмотрел эту тему (с хорошим обзором) в 1968 году. [5] Эта тема была тщательно рассмотрена в обширной статье Масатоши Имада, Ацуши Фухимори и Ёсинори Токура . [6] В литературе недавно появилось предложение о «фазе Гриффитса, близкой к переходу Мотта». [7]

Критерий Мотта

[ редактировать ]

Критерий Мотта описывает критическую точку перехода металл –диэлектрик . Критерий

где - электронная плотность материала и эффективный радиус Бора. Константа , по разным оценкам, составляет 2,0, 2,78, 4,0 или 4,2.

Если критерий удовлетворен (т. е. если плотность электронов достаточно высока), материал становится проводящим (металлическим), в противном случае он будет изолятором. [8]

Мутность

[ редактировать ]

Моттизм обозначает дополнительный ингредиент, помимо антиферромагнитного упорядочения, который необходим для полного описания изолятора Мотта. Другими словами, мы могли бы написать: антиферромагнитный порядок + моттизм = изолятор Мотта .

Таким образом, моттизм объясняет все свойства изоляторов Мотта, которые нельзя объяснить просто антиферромагнетизмом.

Существует ряд свойств изоляторов Мотта, выведенных как из экспериментальных, так и из теоретических наблюдений, которые нельзя отнести к антиферромагнитному упорядочению и, таким образом, составляют моттизм. Эти свойства включают в себя:

Переход Мотта

[ редактировать ]

Переход Мотта — это переход металл-изолятор в конденсированном состоянии . Из-за экранирования электрического поля потенциальная энергия становится гораздо более резко (экспоненциально) выраженной вокруг положения равновесия атома, а электроны локализуются и больше не могут проводить ток. Он назван в честь физика Невилла Фрэнсиса Мотта .

Концептуальное объяснение

[ редактировать ]

В полупроводнике при низких температурах каждый «узел» ( атом или группа атомов) содержит определенное количество электронов и электрически нейтрален. Чтобы электрон мог покинуть определенное место, ему требуется определенное количество энергии, поскольку электрон обычно притягивается обратно к (теперь положительно заряженному) месту под действием кулоновских сил . Если температура настолько высока, что энергии, доступной на каждый узел, распределение Больцмана предсказывает, что значительная часть электронов будет иметь достаточно энергии, чтобы покинуть свой участок, оставив после себя электронную дырку и превратившись в электроны проводимости, проводящие ток . В результате при низких температурах материал является изолирующим, а при высоких — проводящим.

Если в легированном полупроводнике n-(p-)-типа проводимость возникает при высоких температурах из-за частичного заполнения зоны проводимости (валентной) электронами (дырками) при неизменной исходной зонной структуре, то в случае переход Мотта, при котором меняется сама зонная структура. Мотт утверждал, что переход должен быть внезапным и происходить, когда плотность свободных электронов N и радиус Бора удовлетворяет .

Проще говоря, переход Мотта — это изменение поведения материала с изолирующего на металлическое под действием различных факторов. Известно, что этот переход существует в различных системах: пар металлической ртути-жидкость, растворы металлов NH 3 , халькогениды переходных металлов и оксиды переходных металлов. [15] В случае оксидов переходных металлов материал обычно превращается из хорошего электрического изолятора в хорошего электрического проводника. Переход изолятор-металл также может быть изменен путем изменения температуры, давления или состава (легирование). Как заметил Невилл Фрэнсис Мотт в своей публикации об оксиде никеля в 1949 году, причиной такого поведения являются корреляции между электронами и тесная связь этого явления с магнетизмом.

Физическая природа перехода Мотта заключается во взаимодействии кулоновского отталкивания электронов и степени их локализации (ширины зоны). Когда плотность носителей становится слишком высокой (например, из-за легирования), энергия системы может быть понижена за счет локализации ранее проводящих электронов (уменьшение ширины зоны), что приводит к образованию запрещенной зоны, например, под действием давления (т.е. полупроводник/изолятор).

В полупроводнике уровень легирования также влияет на переход Мотта. Было замечено, что более высокие концентрации примесей в полупроводнике создают внутренние напряжения, которые увеличивают свободную энергию (действующую как изменение давления) системы. [16] тем самым уменьшая энергию ионизации.

Уменьшенный барьер облегчает перенос путем туннелирования или тепловой эмиссии от донора к соседнему донору. Эффект усиливается при приложении давления по причине, указанной ранее. Когда транспорт носителей превышает минимальную энергию активации , полупроводник претерпевает переход Мотта и становится металлическим.

Переход Мотта обычно имеет первый порядок и включает в себя прерывистые изменения физических свойств. Теоретические исследования перехода Мотта в пределе большой размерности обнаружили переход первого рода. Однако в малых размерностях и когда геометрия решетки приводит к нарушению магнитного упорядочения, оно может быть лишь слабо первого порядка или даже непрерывным (т.е. второго порядка). Слабые переходы Мотта первого рода наблюдаются в некоторых квазидвумерных органических материалах. Сообщалось о непрерывных переходах Мотта в полупроводниковых муаровых материалах. Теория непрерывного перехода Мотта возможна, если изолирующая фаза Мотта представляет собой квантовую спиновую жидкость с возникающей ферми-поверхностью нейтральных фермионов.

Приложения

[ редактировать ]

Изоляторы Мотта вызывают растущий интерес в передовых физических исследованиях и еще не до конца изучены. Они находят применение, в тонкопленочных магнитных гетероструктурах и в сильно коррелированных явлениях в высокотемпературной сверхпроводимости . например, [17] [18] [19] [20]

Этот тип изолятора может стать проводником при изменении некоторых параметров, таких как состав, давление, деформация, напряжение или магнитное поле. Этот эффект известен как переход Мотта и может быть использован для создания полевых транзисторов , переключателей и устройств памяти меньшего размера, чем это возможно с использованием обычных материалов. [21] [22] [23]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Фазекас, Патрик (2008). Конспект лекций по электронной корреляции и магнетизму . Всемирная научная. стр. 147–150. ISBN  978-981-02-2474-5 . OCLC   633481726 .
  2. ^ де Бур, Дж. Х.; Вервей, EJW (1937). «Полупроводники с частично и полностью заполненными зонами 3d -решетки». Труды Физического общества . 49 (4S): 59. Бибкод : 1937PPS....49...59B . дои : 10.1088/0959-5309/49/4S/307 .
  3. ^ Мотт, Северная Каролина; Пайерлс, Р. (1937). «Обсуждение статьи де Бура и Вервея». Труды Физического общества . 49 (4S): 72. Бибкод : 1937PPS....49...72M . дои : 10.1088/0959-5309/49/4S/308 .
  4. ^ Мотт, Н.Ф. (1949). «Основы электронной теории металлов с особым упором на переходные металлы». Труды Физического общества . Серия А. 62 (7): 416–422. Бибкод : 1949ППСА...62..416М . дои : 10.1088/0370-1298/62/7/303 .
  5. ^ МОТТ, Северная Каролина (1 сентября 1968 г.). «Переход Металл-изолятор». Обзоры современной физики . 40 (4). Американское физическое общество (APS): 677–683. Бибкод : 1968РвМП...40..677М . дои : 10.1103/revmodphys.40.677 . ISSN   0034-6861 .
  6. ^ М. Имада; А. Фухимори; Ю. Тоджура (1998). «Переходы металл-изолятор». Преподобный Мод. Физ . 70 (4): 1039. Бибкод : 1998РвМП...70.1039И . дои : 10.1103/RevModPhys.70.1039 .
  7. ^ Мелло, Исис Ф.; Сквилланте, Лукас; Гомес, Габриэль О.; Серидонио, Антонио К.; Де Соуза, Мариано (2020). «Фаза Гриффитса, близкая к переходу Мотта». Журнал прикладной физики . 128 (22): 225102. arXiv : 2003.11866 . Бибкод : 2020JAP...128v5102M . дои : 10.1063/5.0018604 . S2CID   214667402 .
  8. ^ Киттель, Чарльз (2005), Введение в физику твердого тела (8-е изд.), John Wiley & Sons, стр. 407–409 , ISBN  0-471-41526-Х
  9. ^ Филлипс, Филип (2006). «Мотливость». Анналы физики . 321 (7). Эльзевир Б.В.: 1634–1650. arXiv : cond-mat/0702348 . Бибкод : 2006АнФиз.321.1634П . дои : 10.1016/j.aop.2006.04.003 . ISSN   0003-4916 .
  10. ^ Мейндерс, MBJ; Эскес, Х.; Савацкий, Джорджия (1 августа 1993 г.). «Перенос спектрального веса: нарушение правил сумм в низкоэнергетическом масштабе в коррелированных системах». Физический обзор B . 48 (6). Американское физическое общество (APS): 3916–3926. Бибкод : 1993PhRvB..48.3916M . дои : 10.1103/physrevb.48.3916 . ISSN   0163-1829 . ПМИД   10008840 .
  11. ^ Станеску, Тудор Д.; Филлипс, Филип; Чой, Тинг-Понг (6 марта 2007 г.). «Теория поверхности Латтинджера в легированных изоляторах Мотта». Физический обзор B . 75 (10). Американское физическое общество (APS): 104503. arXiv : cond-mat/0602280 . Бибкод : 2007PhRvB..75j4503S . дои : 10.1103/physrevb.75.104503 . ISSN   1098-0121 . S2CID   119430461 .
  12. ^ Ли, Роберт Г.; Филлипс, Филип; Чой, Тинг-Понг (25 июля 2007 г.). «Скрытый заряд 2e-бозона в легированных изоляторах Мотта». Письма о физических отзывах . 99 (4): 046404. arXiv : cond-mat/0612130v3 . Бибкод : 2007PhRvL..99d6404L . doi : 10.1103/physrevlett.99.046404 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   17678382 . S2CID   37595030 .
  13. ^ Чой, Тинг-Понг; Ли, Роберт Г.; Филлипс, Филип; Пауэлл, Филип Д. (17 января 2008 г.). «Точная интеграция шкалы высоких энергий в легированных изоляторах Мотта». Физический обзор B . 77 (1). Американское физическое общество (APS): 014512. arXiv : 0707.1554 . Бибкод : 2008PhRvB..77a4512C . дои : 10.1103/physrevb.77.014512 . ISSN   1098-0121 . S2CID   32553272 .
  14. ^ Станеску, Тудор Д.; Филлипс, Филип (2 июля 2003 г.). «Псевдощель в легированных изоляторах Мотта является ближайшим аналогом щели Мотта». Письма о физических отзывах . 91 (1): 017002. arXiv : cond-mat/0209118 . Бибкод : 2003PhRvL..91a7002S . doi : 10.1103/physrevlett.91.017002 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   12906566 . S2CID   5993172 .
  15. ^ Сиро, М. (1972). «Теория перехода Мотта: приложения к оксидам переходных металлов». Журнал де Физический . 33 (1). EDP ​​Sciences: 125–134. CiteSeerX   10.1.1.463.1403 . doi : 10.1051/jphys:01972003301012500 . ISSN   0302-0738 .
  16. ^ Бозе, Д.Н.; Б. Сэйшу; Г. Партасарати; ЭСР Гопал (1986). «Легирующая зависимость перехода полупроводник-металл в InP при высоких давлениях». Труды Королевского общества А. 405 (1829): 345–353. Бибкод : 1986RSPSA.405..345B . дои : 10.1098/rspa.1986.0057 . JSTOR   2397982 . S2CID   136711168 .
  17. ^ Косака, Ю.; Тейлор, К.; Валь, П.; и др. (28 августа 2008 г.). «Как исчезают куперовские пары при приближении к изолятору Мотта в Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ ». Природа . 454 (7208): 1072–1078. arXiv : 0808.3816 . Бибкод : 2008Natur.454.1072K . дои : 10.1038/nature07243 . ПМИД   18756248 . S2CID   205214473 .
  18. ^ Маркевич, Р.С.; Хасан, МЗ; Бансил, А. (25 марта 2008 г.). «Акустические плазмоны и эволюция легирования физики Мотта в резонансном неупругом рассеянии рентгеновских лучей на купратных сверхпроводниках». Физический обзор B . 77 (9): 094518. Бибкод : 2008PhRvB..77i4518M . дои : 10.1103/PhysRevB.77.094518 .
  19. ^ Хасан, МЗ; Айзекс, Эд; Шен, З.-Х.; Миллер, LL; Цуцуи, К.; Тохьяма, Т.; Маэкава, С. (9 июня 2000 г.). «Электронная структура изоляторов Мотта, изученная методом неупругого рассеяния рентгеновских лучей» . Наука . 288 (5472): 1811–1814. arXiv : cond-mat/0102489 . Бибкод : 2000Sci...288.1811H . дои : 10.1126/science.288.5472.1811 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   10846160 . S2CID   2581764 .
  20. ^ Хасан, МЗ; Монтано, Пенсильвания; Айзекс, Эд; Шен, З.-Х.; Эйсаки, Х.; Синха, СК; Ислам, З.; Мотояма, Н.; Учида, С. (16 апреля 2002 г.). «Возбуждение заряда с разрешением по импульсу в прототипе одномерного изолятора Мотта». Письма о физических отзывах . 88 (17): 177403. arXiv : cond-mat/0102485 . Бибкод : 2002PhRvL..88q7403H . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.177403 . ПМИД   12005784 . S2CID   30809135 .
  21. ^ Патент США 6121642 , Ньюнс, Деннис, «Переходный полевой транзистор Мотта (JMTFET) и переключатель для приложений логики и памяти», опубликован в 2000 г.  
  22. ^ Чжоу, Ты; Раманатан, Шрирам (1 января 2013 г.). «Коррелированные электронные материалы и полевые транзисторы для логики: обзор». Критические обзоры по наукам о твердом теле и материалах . 38 (4): 286–317. arXiv : 1212.2684 . Бибкод : 2013CRSSM..38..286Z . дои : 10.1080/10408436.2012.719131 . ISSN   1040-8436 . S2CID   93921400 .
  23. ^ Сын, Джуну; и др. (18 октября 2011 г.). «Транзистор Мотта с гетеропереходом, легированный модуляцией». Письма по прикладной физике . 110 (8): 084503–084503–4. arXiv : 1109.5299 . Бибкод : 2011JAP...110h4503S . дои : 10.1063/1.3651612 . S2CID   27583830 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2b95b901dacfd839cbd8be946ce1c49e__1715785320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2b/9e/2b95b901dacfd839cbd8be946ce1c49e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Mott insulator - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)