금속-절연체 전환

Metal–insulator transition

금속-절연체 전환은 금속(전하의 전기전도도가 좋은 물질)에서 절연체(전하의 전도도가 빠르게 억제되는 물질)로 물질을 전환하는 것이다.이러한 전환은 온도,[1] 압력[2] 또는 반도체의 경우 도핑과 같은 다양한 주변 파라미터를 조정하여 달성할 수 있다.

역사

금속과 절연체의 기본적인 구분은 1928/1929년에 베테, 소머펠트, 블로흐에 의해 제안되었다.전도 금속(부분 충진 대역 포함)과 비전도 절연체 사이를 구분했다.그러나 1937년 데 보어와 에버트 베르웨이는 부분적으로 채워진 d밴드를 가진 많은 전이금속 산화물(NiO와 같은)이 종종 절연되는 불량 도체라고 보고했다.같은 해에, 전자-전자 상관관계의 중요성은 Peierls에 의해 명시되었다.그 이후로 이러한 물질뿐만 아니라 금속과 절연체 사이의 전환을 보여주는 다른 물질들도 광범위하게 연구되었다. 예를 들어 네빌 모트 경에 의해 절연 상태가 모트 절연체라고 명명되었다.

발견된 최초의 금속-절연체 전환기는 1940년대 자석의 베르웨이 전환이었다.[3]

이론적 설명

솔리드 스테이트 물리학의 고전적인 대역 구조는 절연체의 대역 간격과 금속의 전도 대역에 페르미 레벨이 놓여 있을 것으로 예측하는데, 이는 부분적으로 채워진 밴드를 가진 화합물에서 금속의 거동이 보인다는 것을 의미한다.다만 일부 채운 밴드에서도 절연 거동을 보이는 화합물이 발견됐다.전자는 비간섭으로 볼 수 없기 때문에 전자-전자 상관관계 때문이다.Mott는 한 부지에 전자 한 개만 있는 격자 모델을 고려한다.상호작용을 고려하지 않고 각 부위는 스핀 업과 스핀 다운을 가진 두 개의 전자가 점유할 수 있었다.그 상호작용 때문에 전자는 강한 쿨롱 거부반응을 느낄 것이고, 모트는 밴드를 둘로 갈라놓았다고 주장했다.사이트당 전자 1개를 갖는 것은 상부 밴드가 비어 있는 상태에서 하부 밴드를 채우는 것으로 시스템이 절연체가 된다는 것을 시사한다.이 상호작용 구동 절연 상태를 Mott 절연체라고 한다.Hubbard 모델은 금속 절연체 전환과 Mott 절연체 형성을 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 하나의 단순한 모델이다.

기본 메커니즘

금속-절연체 전환기(MIT)는 전환기의 원점에 따라 분류할 수 있다.가장 일반적인 MIT는 Mott-Hubbard MIT에 의해 설명되는 강한 전자-전자 상관관계에서 발생한다.[4]

다른 경우에 전자-폰 상호작용을 통한 격자 자체가 Peierls MIT라고 알려진 MIT를 발생시킬 수 있다.[5]

금속의 절연체 거동은 또한 왜곡과 격자 결함으로 인해 발생할 수 있는데, 이 결함을 앤더슨 MIT라고 한다.[6]

양극화 파국

양극화 재앙 모델은 물질이 절연체에서 금속으로 이행되는 것을 설명한다.이 모델은 고체의 전자를 오실레이터로 간주하며 이 전환이 발생하는 조건은 물질의 단위 부피당 오실레이터 수에 의해 결정된다.모든 오실레이터는 주파수(Ω0)를 가지므로 고체의 유전적 함수를 다음과 같이 설명할 수 있다.

ε(Ω) = 1+(Ne2/εm0)/[Ω-02(Ne2/3εm0) -Ω-iΩ2/tao](1)

여기서 ε(Ω)은 유전 함수, N은 단위 볼륨당 오실레이터 수, Ω은0 기본 진동 주파수, m은 오실레이터 질량, Ω은 흥분 주파수다.

물질이 금속이 되려면, 배설 주파수(Ω)는 정의상 0이어야 하며,[2] 이는 우리에게 정적 유전체 상수를 제공한다.

εs = 1+(Ne2/εm0)/[Ω-02(Ne2/3εm0)] (2)

여기서 ε은s 정적 유전 상수다.단위 부피당 오실레이터의 수를 격리하기 위해 등식(2)을 재배열하면 ε이s 무한해지는 오실레이터(Nc)의 임계 농도를 얻게 되는데, 이때 오실레이터는 금속 고체와 절연체에서 금속으로의 전환을 나타낸다.

Nc = 3εmΩ002/e2(3)

이 표현은 절연체에서 금속으로의 물질의 전환을 규정하는 경계를 만든다.이 현상은 양극화 재앙으로 알려져 있다.

양극화 재앙 모델은 또한 충분한 밀도와 따라서 어금니 부피가 낮으면 어떤 고체가 성질상 금속성이 될 수 있다는 이론을 세운다.[2]재료가 금속성인지 절연성인지를 예측하는 것은 비율 R/V를 취함으로써 이루어질 수 있는데, 여기서 R은 어금니 굴절률이고, 때로는 A로 표현되기도 하며, V는 어금니 체적이다.R/V가 1 미만인 경우 재료는 비금속성 또는 절연성을 가지며, R/V 값이 1보다 크면 금속성이 생긴다.[7]

참고 항목

초전도체 절연체 전환

참조

  1. ^ Zimmers, A.; Aigouy, L.; Mortier, M.; Sharoni, A.; Wang, Siming; West, K. G.; Ramirez, J. G.; Schuller, Ivan K. (2013-01-29). "Role of Thermal Heating on the Voltage Induced Insulator-Metal Transition in ${\mathrm{VO}}_{2}$". Physical Review Letters. 110 (5): 056601. doi:10.1103/PhysRevLett.110.056601.
  2. ^ a b c Cox, P. A. (1987). The electronic structure and chemistry of solids. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 0-19-855204-1. OCLC 14213060.
  3. ^ 춤추는 전자는 가장 오래된 자성 물질에서 오랜 시간 동안 퍼즐을 푼다.
  4. ^ Mott, N. F. (July 1949). "The Basis of the Electron Theory of Metals, with Special Reference to the Transition Metals". Proceedings of the Physical Society. Section A. 62 (7): 416–422. doi:10.1088/0370-1298/62/7/303. ISSN 0370-1298.
  5. ^ Grüner, G. (1988-10-01). "The dynamics of charge-density waves". Reviews of Modern Physics. 60 (4): 1129–1181. doi:10.1103/RevModPhys.60.1129.
  6. ^ Evers, Ferdinand; Mirlin, Alexander D. (2008-10-17). "Anderson transitions". Reviews of Modern Physics. 80 (4): 1355–1417. doi:10.1103/RevModPhys.80.1355.
  7. ^ Edwards, Peter P.; Sienko, M. J. (1982-03-01). "The transition to the metallic state". Accounts of Chemical Research. 15 (3): 87–93. doi:10.1021/ar00075a004. ISSN 0001-4842.

추가 읽기