CMR和電子關(guān)聯(lián)

1、CMR和電子關(guān)聯(lián)引言引言 問題的意義問題的意義第一部分第一部分 較早的工作較早的工作 第二部分第二部分 近年的進(jìn)展（講近年的進(jìn)展（講4 4個問題）個問題） 第一，關(guān)聯(lián)導(dǎo)致電荷、自旋和軌道 第二，新的凝聚狀態(tài)狀態(tài)：相共存、相分離 第三，2 2維維“關(guān)聯(lián)”電子（MIS） 第四，p pn n結(jié)結(jié)（本所較多工作）第二部分 近年進(jìn)展第一個問題：關(guān)聯(lián)和有序關(guān)聯(lián)和有序（電荷、自旋、軌道）（1）前面，已經(jīng)討論過了電荷有序Wigner電子晶體為甚麼同時有序？右圖示意：波函數(shù)重疊方式交換作用 自旋“序”就不同*電荷、自旋、軌道有序（2） 的反鐵磁？的反鐵磁？Mn3離子自旋排列為反鐵磁（AFM）。原因：同一格座上

2、eg與t2g的洪德鐵磁（FM）耦合。 相鄰格座超交換AFM作用實際的軌道波函數(shù)的情況稍微復(fù)雜，實際的軌道波函數(shù)的情況稍微復(fù)雜， JahnTeller 效應(yīng)（電聲子作用）結(jié)果：自旋序和軌道序關(guān)聯(lián)（看下圖）結(jié)果：自旋序和軌道序關(guān)聯(lián)（看下圖）3LaMnO*電荷、自旋、軌道有序（電荷、自旋、軌道有序（3）原子3d波函數(shù)之間的距離、相對取向決定決定 交換作用的大小、符號。從而決定從而決定 自旋取向。自旋用箭頭表示軌道為eg電子波函數(shù)參看前面的簡易圖（其中含有氧原子）3LaMnO22223,3ryrx*電荷、自旋、軌道有序（4）摻雜情況 （各種x？）右圖中，圓圈 Mn4波瓣 Mn3 電荷、自旋、軌道有序（

3、5） （計算另講）Mn3+和Mn41，電荷棋盤2，自旋zigzag3，軌道轉(zhuǎn)向，35 . 05 . 0MnOSrLa電荷、自旋、軌道有序35 . 05 . 0MnOSrLa電荷、自旋、軌道有序（電荷、自旋、軌道有序（6 6）小結(jié)：形成電荷、自旋和軌道有序的原因？小結(jié)：形成電荷、自旋和軌道有序的原因？ 1，電荷有序電荷有序： 勢能大于動能勢能大于動能 U t ， 例如，一個格點只能有一個 eg 電子。2，軌道有序軌道有序： 畸變能大于動能畸變能大于動能 g t。 例如，eg、 t2g 電子的軌道要對于 JT 晶格畸變方向取向。3，自旋有序自旋有序 （接下一頁）（接下一頁）電荷、自旋、軌道有序（7

4、） 3，自旋有序：自旋有序： 離子內(nèi)，Hund Hund 耦合大于動能耦合大于動能 JH t ， 例如，離子內(nèi)部eg 自旋要平行於t2g自旋。 相鄰離子間，超交換作用超交換作用。 本質(zhì)上都是庫侖作用本質(zhì)上都是庫侖作用 Pauli Pauli 原理保證軌道有序與自旋有序的協(xié)調(diào)原理保證軌道有序與自旋有序的協(xié)調(diào)總之，庫侖作用的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)庫侖作用的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)。第二個問題：相分離相分離本講開始部分提出的問題是： (一塊)材料是金屬還是絕緣體？（能帶論）（能帶論）本講結(jié)束部分指出，還可以提出下列問題： (一塊)材料可以是金屬和絕緣體多相共存？（強(qiáng)關(guān)聯(lián)）（強(qiáng)關(guān)聯(lián)）為什么？1，這里是多種相互作用競爭的“臨界點

5、”。2，“顯微鏡”的分辨率大大提高。看到了真實。3，真正的量子圖像是超越超越“平均場平均場”近似的。近似的。 即，電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。即，電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。相分離現(xiàn)象（1） 各種有序相的互動？各種有序相的互動？薄膜 在稍低于Tc時的掃描隧道譜: 共存的絕緣相與金屬相團(tuán)簇隨磁場增加而此消彼長 Science ,285(1999)1540 相分離現(xiàn)象（2） 各種有序相的分離？共存？高分辨的原子像 IV 特性圖電子絕緣相（左）半導(dǎo)體相（右）第三個問題：二維電子系統(tǒng)第三個問題：二維電子系統(tǒng)電場效應(yīng)和低維CMR性質(zhì)以前，改變摻雜（濃度）和薄膜厚度（維度），導(dǎo)致相變 如果，引進(jìn)電場到多層膜結(jié)構(gòu)，引進(jìn)電場到多層膜

6、結(jié)構(gòu)， 也可以導(dǎo)致維度、濃度改變，從而導(dǎo)致相變。也可以導(dǎo)致維度、濃度改變，從而導(dǎo)致相變。優(yōu)點優(yōu)點: : 電場導(dǎo)致的相變，并不增加晶體的缺陷。電場導(dǎo)致的相變，并不增加晶體的缺陷。一個例子一個例子低維高溫超導(dǎo)體臨界點 8納米厚度的YBaCuO在MIS結(jié)構(gòu)中：門電壓的改變載流子濃度改變，從而臨界溫度改變。回憶：回憶：半導(dǎo)體二維電子系統(tǒng)MIS電場電場改變載流子濃度和維度濃度和維度回憶：回憶：半導(dǎo)體界面,電場（門電壓）改變載流子濃度、維度和類型 15，氧化物的場效應(yīng)晶體管（FET） ABO3的MIS電場（門電壓）改變載流子濃度、維度和類型rf . Nature 424,1015-1018(2003) C

7、.H.Ahn et alMn基基MIS La1xBaxMnO3 （as LBMO)PbZr0.2Ti0.8O3 (as PZT) SrTiO3(001) (as STO) 脈沖激光鍍膜(PLD) 極化極化PZT作絕緣體作絕緣體 （為了提高界面電場）（為了提高界面電場）電阻溫度關(guān)系，強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征電阻溫度關(guān)系，強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征 電場控制相變的證據(jù)電場控制相變的證據(jù) LBMO為空穴型半導(dǎo)體 門電壓為正，產(chǎn)生耗盡層 （depletion layer）濃度低。 門電壓為負(fù)，產(chǎn)生堆積層 （accumulation layer）濃度高 不對稱困難點困難點ABO3 MIS具較高濃度。具較高濃度。而，半導(dǎo)體而，半導(dǎo)體M

8、IS有較低濃度。有較低濃度。 和半導(dǎo)體相比：有較高的濃度，就有較強(qiáng)的屏蔽和半導(dǎo)體相比：有較高的濃度，就有較強(qiáng)的屏蔽 Thomas ThomasFermiFermi屏蔽屏蔽，可以明顯減小庫侖作用的范圍可以明顯減小庫侖作用的范圍 其屏蔽長度 反比于載流子濃度（Fermi level）。 )(42FTFge數(shù)值例， 重?fù)诫s半導(dǎo)體半導(dǎo)體 金屬金屬 MOS的S和D之間的距離距離 LatticeAs3020100LatticeAs131sD32有較高的濃度，就有太窄的耗盡層有較高的濃度，就有太窄的耗盡層 MIS的耗盡層長度（平方）與載流子濃度成反比的耗盡層長度（平方）與載流子濃度成反比 難點之一：Mn基M

9、IS中，濃度達(dá)到 10191021/ cm3。 導(dǎo)致Zdnm。212DAdscdNNeKZ兩個解決方案 (i)極薄的drainsource channel，可以減少載流子的絕對量到1014/ cm2 (ii)用具有大的介電參數(shù)和擊穿電壓材料作MIS的絕緣層。提高提高Ksc！ 選用強(qiáng)介電材料選用強(qiáng)介電材料PZT第四個問題：第四個問題：Mn基基pn結(jié)結(jié)（本所較多工作）（本所較多工作）“電場控制結(jié)電阻的金屬絕緣轉(zhuǎn)變電場控制結(jié)電阻的金屬絕緣轉(zhuǎn)變”一個例子強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征存在整流效應(yīng)但是溫度上升，電導(dǎo)反而降低和半導(dǎo)體相反結(jié)電阻溫度關(guān)系 （具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征）強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征）電壓增大導(dǎo)致載流子濃度上升，電阻下降（強(qiáng)關(guān)聯(lián)）濃度高，則Tp就（看APL）強(qiáng)關(guān)聯(lián)）磁電阻溫度關(guān)系電壓增高導(dǎo)致MR減小（強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征）（強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征）pn結(jié)比較復(fù)雜（金奎娟等） 結(jié)語：我們討論了下列問題1，自旋電子學(xué)的一條途徑！2，高溫超導(dǎo)性機(jī)制尚未解決3，什么是“