Переход металл-изолятор

Физическая сущность перехода металл–изолятор

Переход металл–изолятор (ПМИ) является фундаментальным явлением в твердотельной физике, характеризующимся резким изменением электрической проводимости вещества при изменении внешних условий — температуры, давления, химического состава или концентрации носителей заряда. В металлах электроны движутся почти свободно, образуя Ферми–газ, тогда как в изоляторах электронные состояния вблизи Ферми-уровня полностью заполнены или пусты, что препятствует электрической проводимости. Переход между этими состояниями сопровождается как изменением электрических свойств, так и перестройкой электронной структуры кристалла.

Механизмы ПМИ

1. ПМИ Мотта Этот тип перехода объясняется взаимодействием электронов. В рамках модели Мотта электрические свойства зависят от соотношения между энергией кулоновского отталкивания U и шириной энергетической зоны W.

   • Для U ≪ W электронное взаимодействие мало влияет на проводимость, и вещество проявляет металлические свойства.
   • Для U ≳ W электроны локализуются на атомах, возникает энергетическая щель, и система становится изолятором. Основной показатель — параметр U/W. Пороговое значение этого параметра определяет точку перехода.

2. ПМИ типа Пеирлса В системах с низкой концентрацией носителей заряда взаимодействие с кристаллической решёткой и дефектами приводит к локализации электронов даже без сильного электрон-электронного взаимодействия.

   • Электронные состояния становятся локализованными на масштабах порядка длины локализации.
   • При увеличении концентрации носителей возникает квантовая делокализация и переход в металлическое состояние.

3. Переход с изменением структуры решётки Некоторые переходы металл–изолятор сопровождаются перестройкой кристаллической решётки.

   • Пример: переход в VO₂ при температуре около 340 K, где из-за изменения симметрии решётки и дimerизации атомов ванадия возникает резкое уменьшение проводимости.
   • В таких случаях ПМИ имеет двойственную природу: структурную и электронную.

Теоретические модели

• Модель Хаббарда: Основная модель для описания ПМИ типа Мотта. Включает локальное электрон-электронное взаимодействие U на одном атоме и туннельное взаимодействие t между соседними атомами:

  H = −t∑_{⟨i, j⟩, σ}(c_iσ^†c_jσ + h.c.) + U∑_in_i↑n_i↓

  где c_iσ^† и c_iσ — операторы создания и уничтожения электрона с спином σ на атоме i, n_iσ — оператор числа электронов.

• Модель АНДЕРСЕНА–ХАББАРДА для учета влияния решётки и локальных взаимодействий, особенно при переходах в сложных оксидах.

Экспериментальные признаки ПМИ

1. Резкое изменение проводимости

   • Металлическое состояние: ρ ∼ 10⁻⁶ ÷ 10⁻⁴ Ом·м, линейная температура-зависимость сопротивления.
   • Изолятор: ρ ∼ 10² ÷ 10¹⁰ Ом·м, экспоненциальная зависимость по закону Варшалл-Хопфа.

2. Изменение спектра поглощения и фотоэлектронных спектров

   • В металлической фазе наблюдается наличие состояния на Ферми-уровне.
   • В изоляторе возникает энергетическая щель E_g, которая определяется по фотоэлектронной спектроскопии.

3. Магнитные свойства

   • Металлическое состояние часто характеризуется слабым или отсутствием локальных магнитных моментов.
   • В изоляторном состоянии локализация электронов приводит к появлению локальных спинов и антиферромагнитного или ферромагнитного порядка в зависимости от типа взаимодействий.

Влияние давления и легирования

• Гидростатическое давление уменьшает соотношение U/W, способствуя переходу из изолятора в металл.
• Химическое легирование изменяет концентрацию носителей, что может инициировать ПМИ через увеличение подвижности электронов или уменьшение локализации.

Квантовые аспекты

ПМИ не всегда является классическим фазовым переходом первого или второго рода. При температурах, близких к абсолютному нулю, переход носит квантовый характер, и критические флуктуации проявляются в изменении плотности состояний и локализации электронов. Квантовая критическая точка характеризуется отсутствием энергетального масштаба и универсальными показателями критических экспонентов.

Применение и технологическое значение

Материалы с ПМИ востребованы в разработке:

• переключателей и сенсоров, чувствительных к давлению и температуре,
• умных окон и устройств для хранения информации на основе изменения проводимости,
• высокотемпературных транзисторов на оксидах.

Понимание механизмов ПМИ является ключевым для разработки новых функциональных материалов и управления электронными свойствами сложных оксидов и полупроводниковых систем.