ch5 cmr 和电子关联 ( 2 - 1 )
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Ch5 CMR 和电子关联 ( 2 - 1 ). 2 学时. 引言 问题的意义 第一部分 较早的工作 第二部分 近年的进展(讲 4 个问题) 第一,关联导致电荷、自旋和轨道 有序 第二,新的凝聚 状态 :相共存、相分离 第三, 2 维 “关联”电子( MIS ) 第四, p - n 结 (本所较多工作). 第二部分 近年进展 第一个问题: 关联和有序 (电荷、自旋、轨道)( 1 ). 前面, 已经讨论过了电荷有序-- Wigner 电子晶体 为甚麽同时有序? 右图示意: 波函数重叠方式 →交换作用 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Ch5 CMR 和电子关联
( 2 - 1 )
2 学时
引言 问题的意义第一部分 较早的工作 第二部分 近年的进展(讲 4 个问题) 第一,关联导致电荷、自旋和轨道有序 第二,新的凝聚状态:相共存、相分离 第三, 2 维“关联”电子( MIS ) 第四, p - n 结(本所较多工作)
第二部分 近年进展
第一个问题:关联和有序(电荷、自旋、轨道)( 1 )
前面,已经讨论过了电荷有序
-- Wigner 电子晶体
为甚麽同时有序?
右图示意:波函数重叠方式→ 交换作用→ 自旋“序”就不同
* 电荷、自旋、轨道有序( 2 ) 的反铁磁?
Mn3 +离子自旋排列为反铁磁( AFM )。
原因:同一格座上 eg 与 t2g 的洪德铁磁( FM )耦合。 相邻格座超交换 AFM 作用
实际的轨道波函数的情况稍微复杂, Jahn - Teller 效应(电声子作用)
结果:自旋序和轨道序关联(看下图)
3LaMnO
* 电荷、自旋、轨道有序( 3 )
原子 3d -波函数之间的距离、相对取向决定 交换作用的大小、符号。从而决定 自旋取向。
自旋用箭头表示
轨道为 eg 电子波函数
参看前面的简易图(其中含有氧原子)
3LaMnO
2222 3,3 ryrx
* 电荷、自旋、轨道有序( 4 )
掺杂情况 (各种 x =?)
右图中,
圆圈 Mn4 +
波瓣 Mn3 +
电荷、自旋、轨道有序
( 5 ) (计算另讲)Mn3+ 和 Mn4
+
1 ,电荷棋盘
2 ,自旋 zigzag
3 ,轨道转向,
35.05.0 MnOSrLa
电荷、自旋、轨道有序
35.05.0 MnOSrLa
电荷、自旋、轨道有序( 6 )
小结:形成电荷、自旋和轨道有序的原因?
1 ,电荷有序: 势能大于动能 U 》 t , 例如,一个格点只能有一个 eg 电子。
2 ,轨道有序: 畸变能大于动能 g 》 t 。 例如, eg 、 t2g 电子的轨道要对于 J-
T 晶格畸变方向取向。
3 ,自旋有序 (接下一页)
电荷、自旋、轨道有序( 7 ) 3 ,自旋有序: 离子内, Hund 耦合大于动能 JH 》 t , 例如,离子内部 eg 自旋要平行於 t2g 自旋。 相邻离子间,超交换作用。
本质上都是库仑作用 Pauli 原理保证轨道有序与自旋有序的协调
总之,库仑作用的强关联效应。
第二个问题:相分离本讲开始部分提出的问题是: ( 一块 ) 材料是金属还是绝缘体?(能带论)
本讲结束部分指出,还可以提出下列问题: ( 一块 ) 材料可以是金属和绝缘体多相共存?(强关联)
为什么?1 ,这里是多种相互作用竞争的“临界点”。2 ,“显微镜”的分辨率大大提高。看到了真实。3 ,真正的量子图像是超越“平均场”近似的。 即,电子的关联效应。
相分离现象( 1 ) 各种有序相的互动?
La0.7Ca0.3MnO3/STO 薄膜 在稍低于Tc 时的扫描隧道谱 :
共存的绝缘相与金属相团簇随磁场增加而此消彼长
Science ,285(1999)1540
相分离现象( 2 ) 各种有序相的分离?共存?
高分辨的原子像 I - V 特性图
电子绝缘相(左)
半导体相(右)
第三个问题:二维电子系统
电场效应和低维 CMR 性质
以前,改变掺杂(浓度)和薄膜厚度(维度),导致相变
如果,引进电场到多层膜结构, 也可以导致维度、浓度改变,从而导致相变。
优点 : 电场导致的相变,并不增加晶体的缺陷。
一个例子
低维高温超导体临界点 8 纳米厚度的 YBaCuO
在 MIS 结构中:
门电压的改变→ 载流子浓度改变,→ 从而临界温度改变。
回忆:半导体二维电子系统
MIS――― 电场改变载流子浓度和维度
回忆:半导体界面 ,电场(门电压)
改变载流子浓度、维度和类型
15 ,氧化物的场效应晶体管( FET ) ABO3 的 MIS
电场(门电压)改变载流子浓度、维度和类型rf . Nature 424,1015-1018(2003) C.H.Ahn et al
Mn 基 MIS
La1 -xBaxMnO3
( as LBMO)
PbZr0.2Ti0.8O3 (as PZT)
SrTiO3(001) (as STO) 脉冲激光镀膜(PLD)
极化 PZT 作绝缘体 (为了提高界面电场)
电阻-温度关系,强关联特征 • 电场控制相变的证据
• LBMO 为空穴型半导体
• 门电压为正,产生耗尽层 ( depletion layer )浓度低。
• 门电压为负,产生堆积层 ( accumulation layer )
浓度高
• 不对称
困难点――― ABO3 MIS 具较高浓度。
而,半导体 MIS 有较低浓度。
和半导体相比:有较高的浓度,就有较强的屏蔽
Thomas - Fermi 屏蔽,可以明显减小库仑作用的范围 其屏蔽长度 反比于载流子浓度( Fermi level )。
)(4
2 FTF ge
数值例, 重掺杂半导体 金属
MOS 的 S和 D 之间的距离
LatticeAs 3020100
LatticeAs 131
sD 32
有较高的浓度,就有太窄的耗尽层
• MIS 的耗尽层长度(平方)与载流子浓度成反比
• 难点之一: Mn 基 MIS 中,浓度达到 1019 - 1021/ cm3 。 导致 Zd≈nm 。
2
1
2
DA
dscd NNe
KZ
两个解决方案
• (i)极薄的 drain - source channel ,可以减少载流子的绝对量到≈ 1014/ cm2
• (ii) 用具有大的介电参数和击穿电压材料作 MIS 的绝缘层。提高 Ksc !!!
选用强介电材料 PZT
第四个问题: Mn 基 p - n 结
(本所较多工作)
“电场控制结电阻的金属-绝缘转变”
一个例子
强关联特征
存在整流效应
但是温度上升,电导反而降低
和半导体相反
结电阻-温度关系 (具有强关联特征)
电压增大导致载流子浓度上升,电阻下降(强关联)
浓度高,则 Tp 就(看 APL )强关
联)
磁电阻-温度关系
电压增高导致MR减小(强关联特征)
p- n结比较复杂
(金奎娟等)
结语:我们讨论了
下列问题
1 ,自旋电子学的一条途径!2 ,高温超导性机制尚未解决3 ,什么是“电子关联效应”?4 , ABO3 的普遍意义5 ,(未掺杂的) LaMnO3 是反铁磁绝缘体?6 ,(掺杂的) LSMO 是导体?7, 双交换模型8 , J- T效应9 ,电荷、自旋、轨道有序10 ,相的分离11 ,低维“关联电子”系统12 , p- n结
结束