金屬-絕緣體轉變[金屬－絕緣體轉變]

導體與非導體的能帶結構不同,而且導體的電導主要決定於Fermi面附近的情況. 一定的外界條件如果能夠影響到能帶結構或Fermi能級,則就可以引起從導體 (金屬)向非導體(絕緣體)的轉變或相反的轉變. 這種金屬-絕緣體之間的相互轉變可以有以下幾種情況：
一 Anderson轉變~
無序固體系統中的電子有擴展態和定域態兩種. 處於擴展態的電子導電性能好,材料呈現出金屬性質; 處於定域態的電子導電性能差,材料呈現出絕緣體性質. 而材料的總電導主要決定於Fermi面附近電子的貢獻,因此,當Fermi能級位於擴展態區域時,即呈現出金屬的導電性;當Fermi能級位於定域態區域時,即呈現出絕緣體的導電性.如果改變條件(例如改變電子濃度,使填充能帶的Fermi能級位置不同; 或者改變固體的無序度,使遷移率邊的位置移動),就可以使Fermi能級從定域態區域進入擴展態區域,致使電導從絕緣體性轉變為金屬性,反之依然.這就是Anderson轉變.
Fermi玻璃~ 是Fermi能級處於定域態時的無序固體系統. 其中的電子藉助於聲子的幫助,可以從從一個定域態躍遷到另一個定域態,從而產生一定的電導,並且電導率隨著溫度的升高表現出熱激活的性質,電阻溫度係數為負.
二 Mott轉變~
孤立原子的電子能級對應於比較狹窄的能帶,原子能級理當不導電,但是如果能帶是不滿的,則仍將可以導電. 這說明這時單電子的能帶模型已經不再適用,需要考慮電子的相關效應~ 兩個電子之間的Coulomb排斥能——相關能U (Hubbard能). 當原子靠近組成晶體時,能級展寬為能帶,相應有下Hubbard能帶和上Hubbard能帶. 如果 相鄰原子電子波函式的重疊很小,則能頻寬度窄, 上、下Hubbard能帶是分離的, 這時若下Hubbard能帶是滿的,上Hubbard能帶是空的,於是呈現出絕緣體性質; 如果原子靠近,使得相鄰原子電子波函式的重疊較大時,則上、下Hubbard能帶將發生交疊而都成為不滿帶,於是呈現出金屬的導電性質. 因此,隨著原子間距的變化, 由於上、下Hubbard能帶的交疊與否,就可以發生金屬-絕緣體之間的轉變,這稱為Mott轉變.
三 Wilson轉變~
對於絕緣體,若滿帶與空帶重疊,即成為不滿帶,則成為了導體. 實驗已經證明: 任何絕緣體在足夠大的壓強下都可以實現價帶和導帶的重疊,從而可轉變為導體; 電阻率將將變化幾個數量級,同時電阻率的溫度係數從負變為正. 這種與能帶是否交疊有關的金屬-絕緣體轉變,稱為Wilson轉變. 從絕緣體態轉變為金屬態所需要的壓強稱為金屬化壓強.
四 Peierls轉變~
對於具有不滿帶的金屬,當晶格常數增大使得能帶分裂時,若Brillouin區縮小, 使Brillouin區邊界正好落在Fermi面上,則能帶即變成了滿帶和空帶,材料就轉變為絕緣體. 這種由於晶體結構變化 所引起的金屬-絕緣體轉變就稱為Peierls轉變.