Mott övergång

En Mott- övergång är en metall-icke-metallövergång i kondenserad materia . På grund av screening av elektriska fält blir den potentiella energin mycket skarpare (exponentiellt) toppad runt atomens jämviktsposition och elektroner blir lokaliserade och kan inte längre leda en ström.

Konceptuell förklaring

I en halvledare vid låga temperaturer innehåller varje "plats" ( atom eller grupp av atomer) ett visst antal elektroner och är elektriskt neutrala. För att en elektron ska flytta bort från en plats krävs en viss mängd energi, eftersom elektronen normalt dras tillbaka mot den (nu positivt laddade) platsen av Coulomb-krafter . Om temperaturen är tillräckligt hög för att ${\tfrac {1}{2}}k_{B}T$ energi är tillgänglig per plats, förutspår Boltzmann-fördelningen att en betydande del av elektronerna kommer att ha tillräckligt med energi för att fly deras plats, lämnar ett elektronhål bakom sig och blir ledningselektroner som leder ström . Resultatet är att vid låga temperaturer är ett material isolerande och vid höga temperaturer leder materialet.

Medan ledningen i en dopad halvledare av n-(p-)typ sätter in vid höga temperaturer eftersom lednings(valens)bandet är delvis fyllt med elektroner (hål) med den ursprungliga bandstrukturen oförändrad, är situationen annorlunda i fallet med Mott-övergången där själva bandstrukturen förändras. Mott hävdade att övergången måste vara plötslig och inträffa när densiteten för fria elektroner N och Bohr-radien $a_{H}$ uppfyller $N^{1/3} a_{H}\simeq 0,2$ .

Enkelt uttryckt är en Mott Transition en förändring i ett materials beteende från isolerande till metalliskt på grund av olika faktorer. Denna övergång är känd för att existera i olika system: kvicksilvermetallånga-vätska, metall-NH3- _lösningar , övergångsmetallkalkogenider och övergångsmetalloxider. I fallet med övergångsmetalloxider växlar materialet typiskt från att vara en bra elektrisk isolator till en bra elektrisk ledare. Isolator-metallövergången kan också modifieras genom förändringar i temperatur, tryck eller sammansättning (dopning). Som observerats av Mott i hans 1949-publikation om Ni-oxid, är ursprunget till detta beteende korrelationer mellan elektroner och det nära förhållandet detta fenomen har till magnetism.

Mott-övergångens fysiska ursprung är samspelet mellan Coulomb-avstötningen av elektroner och deras lokaliseringsgrad (bandbredd). När bärardensiteten väl blir för hög (t.ex. på grund av dopning) kan systemets energi sänkas genom lokalisering av de tidigare ledande elektronerna (bandbreddsminskning), vilket leder till bildandet av ett bandgap, t.ex. genom tryck (dvs. en halvledare/isolator).

I en halvledare påverkar dopningsnivån även Mott-övergången. Det har observerats att högre koncentrationer av dopämne i en halvledare skapar inre spänningar som ökar den fria energin (fungerar som en tryckförändring) i systemet och därmed minskar joniseringsenergin.

Den minskade barriären medför enklare överföring genom tunnling eller genom termisk emission från givare till dess närliggande givare. Effekten förstärks när tryck appliceras av det skäl som angivits tidigare. När transporten av bärare övervinner en liten aktiveringsenergi , har halvledaren genomgått en Mott-övergång och blivit metallisk.

Andra exempel på metall-isolatorövergång inkluderar:

Peierls övergång / Laddningsdensitetsvåg. Förändringar i materialets symmetri leder till bildandet av ett bandgap vid Brillouin-zonens gränser.
Excitoniska isolatorer uppvisar mycket höga excitonbindningsenergier som driver övergången till det gapade tillståndet.
En Mott–Hubbard-övergång . V ₂ O ₃ genomgår en övergång från antiferromagnetisk isolator till oordnat magnetiskt ledande tillstånd.
En band som korsar övergång. EuO beställer ferromagnetiskt från ett paramagnetiskt halvledande tillstånd vid kylning under dess Curie-temperatur. Under T _c har europiums valenselektroner tillräckligt med energi för att passera fällans nivåer på grund av vakanser på syreställena. Denna överföring av elektroner omvandlar EuO till det metalliska tillståndet.
Mott-övergången i dopade halvledare, t.ex. Si:P, Si:As, Si:B, Si:Ga, etc. Sådana övergångar har undersökts och demonstrerats med hjälp av elektronisk Raman-spridning.

Historia

Teorin föreslogs först av Nevill Francis Mott i en tidning från 1949. Mott skrev också en recension av ämnet (med en bra översikt) 1968. Ämnet har granskats grundligt i en omfattande artikel av Imada, Fujimori och Tokura. Ett färskt förslag om en "Griffiths-liknande fas nära Mott-övergången" har rapporterats i litteraturen.

Se även

Metall-isolator övergång

^ Cyrot, M. (1972). "Theory of Mott transition: Applications to transition metal oxides". Journal de Physique . EDP-vetenskaper. 33 (1): 125–134. CiteSeerX 10.1.1.463.1403 . doi : 10.1051/jphys:01972003301012500 . ISSN 0302-0738 .
^ Bose, DN; B. Seishu; G. Parthasarathy; ESR Gopal (1986). "Dopningsberoende av halvledare-metallövergång i InP vid högt tryck". Kungliga sällskapets handlingar A . 405 (1829): 345–353. Bibcode : 1986RSPSA.405..345B . doi : 10.1098/rspa.1986.0057 . JSTOR 2397982 . S2CID 136711168 .
^ Michel Schlenker; Etienne du Trémolet de Lacheisserie; Damien Gignoux (2005). Magnetism . Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-22967-6 .
^ Jain, Kanti; Lai, Shui; Klein, Miles V. (15 juni 1976). "Elektronisk Raman-spridning och metallisolatorövergången i dopat kisel". Fysisk granskning B . American Physical Society (APS). 13 (12): 5448–5464. Bibcode : 1976PhRvB..13.5448J . doi : 10.1103/physrevb.13.5448 . ISSN 0556-2805 .
^ Mott, NF (1 juni 1949). "Basis för elektronteorin om metaller, med särskild hänvisning till övergångsmetallerna". Fysiska sällskapets handlingar. Avsnitt A . IOP-publicering. 62 (7): 416–422. Bibcode : 1949PPSA...62..416M . doi : 10.1088/0370-1298/62/7/303 . ISSN 0370-1298 .
^ MOTT, NF (1 september 1968). "Metal-Isolator Transition". Recensioner av modern fysik . American Physical Society (APS). 40 (4): 677–683. Bibcode : 1968RvMP...40..677M . doi : 10.1103/revmodphys.40.677 . ISSN 0034-6861 .
^ M. Imada; A. Fujimori; Y. Tojura (1998). "Metall-isolatorövergångar". Rev. Mod. Phys . 70 (4): 1039. Bibcode : 1998RvMP...70.1039I . doi : 10.1103/RevModPhys.70.1039 .
^ Mello, Isys F.; Squillante, Lucas; Gomes, Gabriel O.; Seridonio, Antonio C.; De Souza, Mariano (2020). "Griffiths-liknande fas nära Mott-övergången". Journal of Applied Physics . 128 (22): 225102. arXiv : 2003.11866 . Bibcode : 2020JAP...128v5102M . doi : 10.1063/5.0018604 . S2CID 214667402 .

[Cyrot_1972_pp._125–134-1] Cyrot, M. (1972). "Theory of Mott transition: Applications to transition metal oxides". Journal de Physique . EDP-vetenskaper. 33 (1): 125–134. CiteSeerX 10.1.1.463.1403 . doi : 10.1051/jphys:01972003301012500 . ISSN 0302-0738 .

[2] Bose, DN; B. Seishu; G. Parthasarathy; ESR Gopal (1986). "Dopningsberoende av halvledare-metallövergång i InP vid högt tryck". Kungliga sällskapets handlingar A . 405 (1829): 345–353. Bibcode : 1986RSPSA.405..345B . doi : 10.1098/rspa.1986.0057 . JSTOR 2397982 . S2CID 136711168 .

[Magnetism_Fundamentals-3] Michel Schlenker; Etienne du Trémolet de Lacheisserie; Damien Gignoux (2005). Magnetism . Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-22967-6 .

[Jain_Lai_Klein_pp._5448–5464-4] Jain, Kanti; Lai, Shui; Klein, Miles V. (15 juni 1976). "Elektronisk Raman-spridning och metallisolatorövergången i dopat kisel". Fysisk granskning B . American Physical Society (APS). 13 (12): 5448–5464. Bibcode : 1976PhRvB..13.5448J . doi : 10.1103/physrevb.13.5448 . ISSN 0556-2805 .

[Mott_pp._416–422-5] Mott, NF (1 juni 1949). "Basis för elektronteorin om metaller, med särskild hänvisning till övergångsmetallerna". Fysiska sällskapets handlingar. Avsnitt A . IOP-publicering. 62 (7): 416–422. Bibcode : 1949PPSA...62..416M . doi : 10.1088/0370-1298/62/7/303 . ISSN 0370-1298 .

[MOTT_pp._677–683-6] MOTT, NF (1 september 1968). "Metal-Isolator Transition". Recensioner av modern fysik . American Physical Society (APS). 40 (4): 677–683. Bibcode : 1968RvMP...40..677M . doi : 10.1103/revmodphys.40.677 . ISSN 0034-6861 .

[7] M. Imada; A. Fujimori; Y. Tojura (1998). "Metall-isolatorövergångar". Rev. Mod. Phys . 70 (4): 1039. Bibcode : 1998RvMP...70.1039I . doi : 10.1103/RevModPhys.70.1039 .

[8] Mello, Isys F.; Squillante, Lucas; Gomes, Gabriel O.; Seridonio, Antonio C.; De Souza, Mariano (2020). "Griffiths-liknande fas nära Mott-övergången". Journal of Applied Physics . 128 (22): 225102. arXiv : 2003.11866 . Bibcode : 2020JAP...128v5102M . doi : 10.1063/5.0018604 . S2CID 214667402 .