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Ch5 CMR 和电子关联 （ 2 － 1 ）

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

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Ch5 CMR 和电子关联 （ 2 － 1 ）

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Presentation Transcript

  1. Ch5 CMR和电子关联（2－1） 2学时

  2. 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）

  3. 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

  4. *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）

  5. *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）

  6. *电荷、自旋、轨道有序（4）掺杂情况（各种x＝？）*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＋

  7. 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，

  8. 电荷、自旋、轨道有序

  9. 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）

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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

  13. 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）

  14. 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。

  15. 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。

  16. 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：半导体二维电子系统MIS―――电场改变载流子浓度和维度

  17. 回忆：半导体界面,电场（门电压）改变载流子浓度、维度和类型回忆：半导体界面,电场（门电压）改变载流子浓度、维度和类型

  18. 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

  19. Mn基MIS La1－xBaxMnO3 （as LBMO) PbZr0.2Ti0.8O3 (as PZT) SrTiO3(001) (as STO) 脉冲激光镀膜 (PLD)

  20. 极化PZT作绝缘体 （为了提高界面电场）

  21. 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

  22. 困难点―――ABO3 MIS具较高浓度。而，半导体MIS有较低浓度。

  23. 和半导体相比：有较高的浓度，就有较强的屏蔽和半导体相比：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）。 数值例， 重掺杂半导体 金属 MOS的S和D之间的距离

  24. 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。

  25. 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

  26. 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”

  27. 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

  28. 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）

  29. 磁电阻－温度关系 电压增高导致 MR减小 （强关联特征）

  30. p－n结比较复杂（金奎娟等）

  31. 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

  32. 结束

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