Переход металл-изолятор
Изменение между проводящим и непроводящим состоянием

Переходы металл-изолятор — это переходы материала из металла (материала с хорошей электропроводностью электрических зарядов ) в изолятор (материал, в котором проводимость зарядов быстро подавляется). Эти переходы могут быть достигнуты путем настройки различных параметров окружающей среды, таких как температура [1] , давление [2] или, в случае полупроводника , легирование .

История

Основное различие между металлами и изоляторами было предложено Гансом Бете , Арнольдом Зоммерфельдом и Феликсом Блохом в 1928-1929 годах. Оно различало проводящие металлы (с частично заполненными зонами) и непроводящие изоляторы. Однако в 1937 году Ян Хендрик де Бур и Эверт Фервей сообщили, что многие оксиды переходных металлов (такие как NiO) с частично заполненной d-зоной были плохими проводниками, часто изолирующими. В том же году важность электрон-электронной корреляции была заявлена ​​Рудольфом Пайерлсом . С тех пор эти материалы, а также другие, демонстрирующие переход между металлом и изолятором, широко изучались, например, сэром Невиллом Моттом , в честь которого изолирующее состояние названо изолятором Мотта .

Первым обнаруженным переходом металл-изолятор был переход Вервея магнетита в 1940 - х годах. [3]

Теоретическое описание

Классическая зонная структура физики твердого тела предсказывает, что уровень Ферми лежит в запрещенной зоне для изоляторов и в зоне проводимости для металлов, что означает, что металлическое поведение наблюдается для соединений с частично заполненными зонами. Однако были обнаружены некоторые соединения, которые демонстрируют изолирующее поведение даже для частично заполненных зон. Это связано с электрон-электронной корреляцией , поскольку электроны не могут рассматриваться как невзаимодействующие. Мотт рассматривает модель решетки, в которой на каждый узел приходится всего один электрон. Без учета взаимодействия каждый узел может быть занят двумя электронами, одним со спином вверх и одним со спином вниз. Из-за взаимодействия электроны тогда будут испытывать сильное кулоновское отталкивание, которое, как утверждал Мотт, разделяет зону на две части. Наличие одного электрона на узел заполняет нижнюю зону, в то время как верхняя зона остается пустой, что предполагает, что система становится изолятором. Это изолирующее состояние, обусловленное взаимодействием, называется изолятором Мотта . Модель Хаббарда — это простая модель, обычно используемая для описания переходов металл-изолятор и образования изолятора Мотта.

Элементарные механизмы

Переходы металл-изолятор (ПМДИ) и модели для их аппроксимации можно классифицировать на основе происхождения их перехода.

  • Переход Мотта : наиболее распространенный переход, возникающий из-за интенсивной электрон-электронной корреляции. [4]
  • Переход Мотта-Хаббарда: расширение, включающее модель Хаббарда, приближающее переход из коррелированного парамагнитного состояния. [5]
  • Переход Бринкмана-Райса: приближение к переходу из невзаимодействующего металлического состояния, где каждая орбиталь заполнена наполовину. [5]
  • Динамическая теория среднего поля : теория, которая учитывает как модели перехода Мотта-Хаббарда, так и модели Бринбкмана-Райса.
  • Переход Пайерлса : в некоторых случаях сама решетка посредством электрон- фононного взаимодействия может вызвать переход. [ 6] Примером изолятора Пайерлса является синяя бронза K0,3MoO3 , которая претерпевает переход при T = 180 K. [6]
  • Переход Андерсона : когда поведение изолятора в металлах возникает из-за искажений и дефектов решетки. [7]

Катастрофа поляризации

Модель поляризационной катастрофы описывает переход материала из изолятора в металл. Эта модель рассматривает электроны в твердом теле как осцилляторы, а условия для этого перехода определяются числом осцилляторов на единицу объема материала. Поскольку каждый осциллятор имеет частоту ( ω 0 ), мы можем описать диэлектрическую функцию твердого тела как,

ϵ ( ω ) = 1 + Н е 2 ϵ 0 м ω 0 2 − Н е 2 3 ϵ 0 м − ω 2 − я ω τ {\displaystyle \epsilon (\omega )=1+{\frac {\frac {Ne^{2}}{\epsilon _{0}m}}{\omega _{0}^{2}-{\frac {Ne^{2}}{3\epsilon _{0}m}}-\omega ^{2}-i{\frac {\omega }{\tau }}}}}

где ε ( ω ) — диэлектрическая функция, N — число осцилляторов в единице объема, ω 0 — основная частота колебаний, m — масса осциллятора, а ω — частота возбуждения.

Для того чтобы материал был металлом, частота возбуждения ( ω ) по определению должна быть равна нулю, [2] что дает нам статическую диэлектрическую проницаемость,


где ε s — статическая диэлектрическая постоянная. Если мы переставим уравнение (1), чтобы выделить число осцилляторов на единицу объема, мы получим критическую концентрацию осцилляторов ( N c ), при которой ε s становится бесконечной, что указывает на металлическое твердое тело и переход от изолятора к металлу.

N c = 3 ϵ 0 m ω 0 2 e 2 {\displaystyle N_{\mathrm {c} }={\frac {3\epsilon _{0}m\omega _{0}^{2}}{e^{2}}}}

Это выражение создает границу, которая определяет переход материала из изолятора в металл. Это явление известно как катастрофа поляризации.

Модель катастрофы поляризации также предполагает, что при достаточно высокой плотности и, следовательно, достаточно низком молярном объеме любое твердое тело может стать металлическим по характеру. [2] Предсказать, будет ли материал металлическим или изолирующим, можно, взяв отношение R / V , где R — молярная рефракция , иногда представленная как A , а V — молярный объем. В случаях, когда R / V меньше 1, материал будет иметь неметаллические или изолирующие свойства, в то время как значение R / V больше единицы дает металлический характер. [8]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Циммерс, А.; Айгуи, Л.; Мортье, М.; Шарони, А.; Ван, Симинг; Уэст, К. Г.; Рамирес, Дж. Г.; Шуллер, Иван К. (29.01.2013). "Роль термического нагрева в переходе изолятор-металл, индуцированном напряжением, в ${\mathrm{VO}}_{2}$". Physical Review Letters . 110 (5): 056601. doi :10.1103/PhysRevLett.110.056601. PMID  23414038.
  2. ^ abc Cox, PA (1987). Электронная структура и химия твердых тел. Оксфорд [Оксфордшир]: Oxford University Press. ISBN 0-19-855204-1. OCLC  14213060. Архивировано из оригинала 2023-04-03 . Получено 2023-04-03 .
  3. ^ "Танцующие электроны решают давнюю загадку в старейшем магнитном материале". Архивировано из оригинала 2022-09-30 . Получено 2023-04-03 .
  4. ^ Mott, NF (июль 1949). «Основы электронной теории металлов с особым акцентом на переходные металлы». Труды Физического общества. Раздел A. 62 ( 7): 416– 422. Bibcode : 1949PPSA...62..416M. doi : 10.1088/0370-1298/62/7/303. ISSN  0370-1298.
  5. ^ аб Басконес, Лени (2021). «Появление квантовых фаз в новых материалах: физика Мотта» (PDF) . Мадридский институт науки материалов .
  6. ^ ab Grüner, G. (1988-10-01). "Динамика волн зарядовой плотности". Reviews of Modern Physics . 60 (4): 1129– 1181. Bibcode :1988RvMP...60.1129G. doi :10.1103/RevModPhys.60.1129. Архивировано из оригинала 2023-04-03 . Получено 2023-04-03 .
  7. ^ Эверс, Фердинанд; Мирлин, Александр Д. (17.10.2008). «Переходы Андерсона». Reviews of Modern Physics . 80 (4): 1355– 1417. arXiv : 0707.4378 . Bibcode : 2008RvMP...80.1355E. doi : 10.1103/RevModPhys.80.1355. S2CID  119165035. Архивировано из оригинала 03.04.2023 . Получено 03.04.2023 .
  8. ^ Эдвардс, Питер П.; Сиенко, М.Дж. (1982-03-01). «Переход в металлическое состояние». Accounts of Chemical Research . 15 (3): 87– 93. doi :10.1021/ar00075a004. ISSN  0001-4842.

Дальнейшее чтение

  • Мотт, Н. Ф. (1 октября 1968 г.). «Переход металл-изолятор». Reviews of Modern Physics . 40 (4): 677– 683. Bibcode : 1968RvMP...40..677M. doi : 10.1103/RevModPhys.40.677.
  • Мотт, Н. (1974). Переходы металл–изолятор . Taylor & Francis Ltd. ISBN 978-0-85066-079-1.
  • Имада, М.; Фухимори, Токура (1998). «Переходы металл–изолятор». Rev. Mod. Phys . 70 (4): 1039. Bibcode : 1998RvMP...70.1039I. doi : 10.1103/revmodphys.70.1039.http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v70/i4/p1039_1
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Metal–insulator_transition&oldid=1254685186"