基本介紹
- 中文名：金屬－絕緣體轉變
- 外文名：metal-insulator transition
- 特徵：金屬變成絕緣體或半導體或逆轉變
- 性質：物理轉變
物理轉變,布洛赫–威爾遜轉變,莫脫轉變,安德森轉變,理論詮釋,
物理轉變
布洛赫–威爾遜轉變
A.威爾遜成功地套用F.布洛赫的能帶理論來區別金屬、絕緣體及半導體（見能帶）。壓力、溫度等外界因素會改變晶格常數甚至晶體結構，從而改變固體各個能帶之間的相對位置，使本來能量重疊的兩個能帶分開而顯現能隙，導致金屬導體變為絕緣體或半導體；或者使絕緣體的滿帶和空帶在能量上發生重疊，能隙消失導致絕緣體變成金屬。
莫脫轉變
N.莫脫指出，單電子的能帶理論沒有考慮電子間的關聯作用。如Na價電子處於3s軌道。當眾多Na原子凝結成體心立方晶格時，3s能級展寬為3s能帶，其頻寬B依賴於相鄰兩個Na原子3s軌道的交疊，以及每個Na有多少個最近鄰原子數Z。按照能帶理論，不論晶格常數a為何值，3s能帶總是半滿的，Na晶體都是金屬性的。但當a增大到臨界值ac時，Na的電導率突降為零，變成絕緣體。這是因為Na原子中第一個電子處於3s軌道後，再有一個電子進入同一軌道，這個電子便受到電子的庫侖力排斥，其能量U必須升高，這個能量就是關聯能。當U<B時，關聯能U不足以影響能帶結構，保持其金屬性；而當U>B時，關聯能U足以改變能帶結構，使原來能帶分成兩支，能帶中心相隔距離為U，這時Na晶體在晶格常數a達到臨界值時，只有能量低的那支能帶充滿電子，變成為絕緣體。
安德森轉變
1958年P.安德森在獨立電子運動圖像範圍，提出晶格中無規勢會引起電子態局域化。他構想晶格仍維持周期性，但每個原子用一勢阱代表，不同格點原子勢阱深度無規變化，帶來不同格點原子能級在能量範圍W之內隨機變化。勢阱的無序程度以W來表征。當W與嚴格周期勢產生的能頻寬B相比較小時，無序勢並不足以破壞電子態，而是使能帶電子在運動中受到散射，改變其自由程。但當W>B時，晶格中所有的單電子量子態都變成局域態，電子被局限在一定範圍內運動，不再有大範圍的擴展運動，從而退出電荷傳輸過程，這時發生金屬到絕緣體轉變。
理論詮釋
能帶理論成功地說明了金屬和絕緣體、半導體的區別：當溫度趨於絕對零度時，有一個或幾個能帶沒有填滿，仍有大量可以自由運動傳輸電流的電子的固體是導體；有幾個能帶完全填滿，剩下的完全空著的固體，便是絕緣體或半導體。滿帶和空帶之間的能量間隙稱作禁帶（見固體的能帶，固體的導電性）。由此只有每個元胞內的價電子數目是偶數的晶體，才有可能是絕緣體或半導體；每個元胞內價電子數目是奇數的便只可能是導體。但外界條件（如壓力、溫度）的變化，能引起點陣常數的變化，甚至引起點陣結構的變化，從而改變各個能帶的相對位置，使絕緣體（半導體）的滿帶和空帶發生能量重疊，禁帶就不存在了，變成導體；或者相反，使重疊的能帶分開，出現禁帶，從導體變成絕緣體（半導體）。這種導體和絕緣體相互轉變的情況是很多的。
然而，當一個絕緣體的空帶和滿帶發生很小的能量重疊時，它一定會成為導體嗎？N.莫脫在1949年最先提出了這個令人深省的問題。假如考慮到這時導帶中出現的電子和滿帶中出現的空穴之間的庫侖作用，它們之間有可能形成電子－空穴對的束縛態，即激子（見固體中的元激發）。在一定條件下，這些電子和空穴全部組成激子的狀態可能比單純的能帶填充狀態的能量更低。這時的固體便是一個存在著很多激子的固體，仍然是一個絕緣體而不是導體。只有在重疊得相當多，這種“激子相”的狀態不是能量最低的狀態時，才會轉變為導體。所以絕緣體－導體這個轉變，便不能是“連續地”發生的：或是絕緣體，或是至少有一定數量（不能為零）的載流子的導體。按照同樣的概念，元胞內有奇數個價電子的晶體，也不一定是導體。例如由氫原子組成的一個簡單點陣，當點陣常數比較大時，便不能簡單地把它看作是一個有效質量非常大（導帶非常窄）的導體；因為，這時由於電子間的關聯，電子不能是“共有化”的電子。只有當點陣常數小於某一個臨界值後，它才可以看作是導體。莫脫提出，這個臨界值可以選擇為，把它當作導體時，其電子氣的庫侖禁止長度（見德拜長度）小於氫原子的玻爾半徑。正是在這個臨界值上發生金屬－絕緣體的轉變。很多實驗事實（如摻雜半導體的低溫電導、某些氧化物的電導等）都證實了莫脫的概念。由此也發展了一些比較深入的理論。
對無序固體，還有另一種金屬－絕緣體轉變。根據P.安德森的理論，在無序勢場中運動的電子，存在著某些狀態密度雖不為零，但電子態是局域化的能量範圍（見非晶態半導體）；如果這個無序固體的費米能量落在這個能量範圍內，它便是絕緣體，否則便是導體。因此，費米能級進入或離開這個範圍是一種金屬－絕緣體轉變。顯然，這是和前述莫脫提出的概念本質不同的另一種金屬－絕緣體轉變。人們常把前者稱莫脫轉變，後者稱安德森轉變。後來不少實驗事實證明了安德森轉變的存在。但是，電子的相關性可能也起了作用。
低維系統或準低維系統的金屬－絕緣體轉變是和三維體系性質不同的問題（見一維和二維固體、低維導體） 。
然而，當一個絕緣體的空帶和滿帶發生很小的能量重疊時，它一定會成為導體嗎？N.莫脫在1949年最先提出了這個令人深省的問題。假如考慮到這時導帶中出現的電子和滿帶中出現的空穴之間的庫侖作用，它們之間有可能形成電子－空穴對的束縛態，即激子（見固體中的元激發）。在一定條件下，這些電子和空穴全部組成激子的狀態可能比單純的能帶填充狀態的能量更低。這時的固體便是一個存在著很多激子的固體，仍然是一個絕緣體而不是導體。只有在重疊得相當多，這種“激子相”的狀態不是能量最低的狀態時，才會轉變為導體。所以絕緣體－導體這個轉變，便不能是“連續地”發生的：或是絕緣體，或是至少有一定數量（不能為零）的載流子的導體。按照同樣的概念，元胞內有奇數個價電子的晶體，也不一定是導體。例如由氫原子組成的一個簡單點陣，當點陣常數比較大時，便不能簡單地把它看作是一個有效質量非常大（導帶非常窄）的導體；因為，這時由於電子間的關聯，電子不能是“共有化”的電子。只有當點陣常數小於某一個臨界值後，它才可以看作是導體。莫脫提出，這個臨界值可以選擇為，把它當作導體時，其電子氣的庫侖禁止長度（見德拜長度）小於氫原子的玻爾半徑。正是在這個臨界值上發生金屬－絕緣體的轉變。很多實驗事實（如摻雜半導體的低溫電導、某些氧化物的電導等）都證實了莫脫的概念。由此也發展了一些比較深入的理論。
對無序固體，還有另一種金屬－絕緣體轉變。根據P.安德森的理論，在無序勢場中運動的電子，存在著某些狀態密度雖不為零，但電子態是局域化的能量範圍（見非晶態半導體）；如果這個無序固體的費米能量落在這個能量範圍內，它便是絕緣體，否則便是導體。因此，費米能級進入或離開這個範圍是一種金屬－絕緣體轉變。顯然，這是和前述莫脫提出的概念本質不同的另一種金屬－絕緣體轉變。人們常把前者稱莫脫轉變，後者稱安德森轉變。後來不少實驗事實證明了安德森轉變的存在。但是，電子的相關性可能也起了作用。
低維系統或準低維系統的金屬－絕緣體轉變是和三維體系性質不同的問題（見一維和二維固體、低維導體） 。
