一維和二維固體

一維和二維固體

某些固體材料具有很強的各向異性,表現出明顯的一維或二維特徵,統稱為低維固體。

基本信息

某些固體材料具有很強的各向異性,表現出明顯的一維或二維特徵,統稱為低維固體。其中包括:具有鏈狀結構(例如聚合物TaS3、TTF-tcnq等)或層狀結構(例如石墨夾層、NbS2等)的三維固體;表面或界面層(例如半導體表面的反型層);表面上的吸附層(例如液氦表面上吸附的單電子層,石墨表面上吸附的惰性氣體層);薄膜和金屬細絲等。按其物理性質這些材料可分為低維導體(例如一維導體TTF-TCNQ,二維導體AsF5的石墨夾層),低維半導體(例如一維的聚乙炔),低維超導體(例如一維的BEDT-TTF、二維的鹼金屬石墨夾層),低維磁體(例如一維的CsNiF3、二維的CoCl2石墨夾層)等。

當然,由於在鏈之間或層之間仍存在著一些耦合,這些體系是準一維或準二維的。

近年來低維固體的研究取得了較快的發展,一個原因是許多有套用前景的新材料(例如聚合物、石墨夾層化合物、MOS電路等)具有一、二維的結構,另一個原因是一、二維體系具有三維體系所沒有的一些物理特性。

一維導體對於電子—點陣相互作用是不穩定的,在低溫下要變為半導體或絕緣體,這稱為佩爾斯相變。由此還會形成一種新的元激發──孤子。在相變前能帶半滿的情形,帶電孤子沒有自旋,中性孤子有自旋。理論上還預言,在某些情況下孤子的電荷可以是電子電荷的分數倍。
二維電荷系統(半導體表面的反型層或異質結)處於強外磁場中時,隨著磁場的變化,霍耳電阻階躍地變化:一維和二維固體n是整數(1980年發現)或有理分數(1982年發現),h是普朗克常數,RH是霍耳係數,e是電子電荷。這稱為量子化霍耳效應,其物理原因還正在研究中。三維體系的霍耳電阻隨磁場連續變化。

對於短程相互作用的二維體系,在熱力學極限下,溫度高於絕對零度時不存在長程式,從而也沒有與該長程式相對應的相變(例如鐵磁—順磁相變、正常態—超導態相變等)。但是,某些二維體系可發生另一種相變,是由渦旋狀的元激發(例如液氦薄膜中的渦旋流線,二維點陣中的位錯等)引起的,在低溫下正負渦旋相互吸引而形成束縛對,當溫度超過某臨界溫度後,束縛對被熱運動所拆散而出現獨立運動的渦旋,與此對應的相變過程稱為科斯特利茲-索利斯(Kosterlitz-Thouless)相變,簡稱K-T相變。

1979年在液氦表面所吸附的單電子層中,觀察到低密度電子氣所形成的六角形電子點陣,證實了E.P.維格納在30年代的理論預言,它是目前最理想的二維固體。

二維電漿和三維的也很不一樣。對於長波的振盪頻率,前者趨向於零,後者趨向於一維和二維固體(這裡n是電荷密度,m是粒子質量);對於禁止後的電勢,前者是四極矩勢一維和二維固體,後者是指數衰減。

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