ChCMR和电子关联学习教案

1、Ch5 CMRCh5 CMR和电子和电子(dinz)(dinz)关联关联（2 21 1） 2学时(xush)第1页/共32页第一页，共33页。引言引言 问题的意义问题的意义第一部分第一部分 较早的工作较早的工作 第二部分第二部分 近年的进展（讲近年的进展（讲4 4个问题）个问题） 第一，关联导致电荷、自旋和轨道有序第一，关联导致电荷、自旋和轨道有序 第二，新的凝聚状态：相共存、相分离第二，新的凝聚状态：相共存、相分离(fnl)(fnl) 第三，第三，2 2维维“关联关联”电子（电子（MISMIS） 第四，第四，p pn n结（本所较多工作）结（本所较多工作）第2页/共32页第二页，共33页。第

2、二部分第二部分 近年进展近年进展第一个问题：关联和有序（电荷第一个问题：关联和有序（电荷(dinh)(dinh)、自旋、轨道）（、自旋、轨道）（1 1）前面，已经讨论过了电荷(dinh)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”就不同第3页/共32页第三页，共33页。* *电荷、自旋电荷、自旋(z xun)(z xun)、轨道有序（、轨道有序（2 2） 的反铁磁？Mn3离子(lz)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， JahnTeller 效应（电声

3、子作用）结果：自旋序和轨道序关联（看下图）3LaMnO第4页/共32页第四页，共33页。*电荷、自旋(z xun)、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(biosh)轨道为eg电子波函数参看前面的简易图（其中含有氧原子）3LaMnO22223,3ryrx第5页/共32页第五页，共33页。* *电荷电荷(dinh)(dinh)、自旋、轨道有序（、自旋、轨道有序（4 4）掺杂情况掺杂情况 （各种（各种x x？）？）右图中，圆圈(yunqun) Mn4波瓣 Mn3第6页/共32页第六页，共33页。 电荷、自旋(z xun)、轨

4、道有序（5） （计算(j sun)另讲）Mn3+和Mn41，电荷棋盘2，自旋zigzag3，轨道转向，35 . 05 . 0MnOSrLa第7页/共32页第七页，共33页。电荷电荷(dinh)、自旋、自旋、轨道有序轨道有序35 . 05 . 0MnOSrLa第8页/共32页第八页，共33页。电荷电荷(dinh)(dinh)、自旋、轨道有序（、自旋、轨道有序（6 6）小结：形成电荷、自旋和轨道小结：形成电荷、自旋和轨道(gudo)(gudo)有序的有序的原因？原因？ 1 1，电荷有序：，电荷有序： 势能大于动能势能大于动能 U U t t ， 例如，一个格点只能有一个例如，一个格点只能有一个 e

5、g eg 电子。电子。2 2，轨道，轨道(gudo)(gudo)有序：有序： 畸变能大于动能畸变能大于动能 g g t t。 例如，例如，egeg、 t2g t2g 电子的轨道电子的轨道(gudo)(gudo)要对要对于于 J JT T 晶格畸变方向取向。晶格畸变方向取向。3 3，自旋有序，自旋有序 （接下一页）（接下一页）第9页/共32页第九页，共33页。电荷电荷(dinh)(dinh)、自旋、轨道有序（、自旋、轨道有序（7 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 Paul

6、i 原理保证轨道有序与自旋有序的协调(xitio)总之，库仑作用的强关联效应。第10页/共32页第十页，共33页。第二个问题第二个问题(wnt)(wnt)：相分离：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(gngcn)？（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。第11页/共32页第十一页，共33页。相分离相分离(fnl)(fnl)现象现象（1 1） 各种有序相的

7、互动？各种有序相的互动？薄膜薄膜 在稍低于在稍低于TcTc时的时的扫描隧道谱扫描隧道谱: : 共存的绝缘共存的绝缘(juyun)(juyun)相与金属相与金属相团簇随磁场增加而相团簇随磁场增加而此消彼长此消彼长 Science ,285(199Science ,285(1999)15409)1540第12页/共32页第十二页，共33页。相分离相分离(fnl)(fnl)现象现象（2 2） 各种有序相的分离？共存(gngcn)？高分辨的原子像 IV 特性图电子绝缘相（左）半导体相（右）第13页/共32页第十三页，共33页。第三个问题第三个问题(wnt)(wnt)：二维电子系统：二维电子系统电场效应

8、和低维CMR性质以前(yqin)，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。第14页/共32页第十四页，共33页。一个一个(y )例子例子低维高温超导体临界低维高温超导体临界点点 8纳米厚度的YBaCuO在MIS结构中：门电压的改变载流子浓度(nngd)改变，从而临界温度改变。第15页/共32页第十五页，共33页。回忆：半导体二维电子系统回忆：半导体二维电子系统MISMIS电场改变电场改变(gibin)(gibin)载流子浓度和维度载流子浓度和维度第16页/共32页第十六页，共

9、33页。回忆：半导体界面回忆：半导体界面, ,电场（门电压电场（门电压(diny)(diny)）改变载流子浓度、维度和类型改变载流子浓度、维度和类型 第17页/共32页第十七页，共33页。1515，氧化物的场效应晶体管（，氧化物的场效应晶体管（FETFET） ABO3ABO3的的MISMIS电场电场(din chng)(din chng)（门电压）改变载流子浓度、维度和类型（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 alrf . Nature 424,1015-1018(2003) C.H.Ahn et al第18页

10、/共32页第十八页，共33页。Mn基MIS La1xBaxMnO3 （as LBMO)PbZr0.2Ti0.8O3 (as PZT) SrTiO3(001) (as STO) 脉冲(michng)激光镀膜(PLD) 第19页/共32页第十九页，共33页。极化PZT作绝缘体 （为了(wi le)提高界面电场）第20页/共32页第二十页，共33页。电阻温度关系，强关联(gunlin)特征 电场控制相变的证据 LBMO为空穴型半导体 门电压(diny)为正，产生耗尽层 （depletion layer）浓度低。 门电压(diny)为负，产生堆积层 （accumulation layer）浓度高 不对

11、称第21页/共32页第二十一页，共33页。困难(kn nn)点ABO3 MIS具较高浓度。而，半导体MIS有较低浓度。 第22页/共32页第二十二页，共33页。和半导体相比和半导体相比(xin b)：有较高的浓度，就有较强的屏：有较高的浓度，就有较强的屏蔽蔽 Thomas ThomasFermiFermi屏蔽，可以明显减小库仑屏蔽，可以明显减小库仑(kln)(kln)作用的作用的范围范围 其屏蔽长度其屏蔽长度 反比于载流子浓度（反比于载流子浓度（Fermi levelFermi level）。）。 )(42FTFge数值例， 重掺杂半导体 金属(jnsh) MOS的S和D之间的距离 Latti

12、ceAs3020100LatticeAs131sD32第23页/共32页第二十三页，共33页。有较高的浓度有较高的浓度(nngd)，就有太窄的耗尽层，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(ndin)之一：Mn基MIS中，浓度达到 10191021/ cm3。 导致Zdnm。212DAdscdNNeKZ第24页/共32页第二十四页，共33页。两个两个(lin )解决方案解决方案 (i)极薄的drainsource 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(t go)Ksc！ 选用强介

13、电材料PZT第25页/共32页第二十五页，共33页。第四个问题(wnt)：Mn基pn结（本所较多工作）“电场(din chng)控制结电阻的金属绝缘转变”第26页/共32页第二十六页，共33页。一个例子(l zi)强关联特征存在整流(zhngli)效应但是温度上升，电导反而降低和半导体相反第27页/共32页第二十七页，共33页。结电阻温度关系结电阻温度关系 （具有（具有(jyu)(jyu)强关联特征）强关联特征）电压(diny)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）第28页/共32页第二十八页，共33页。磁电阻温度磁电阻温度(wnd)(wnd)关系关系电

14、压增高(znggo)导致MR减小（强关联特征）第29页/共32页第二十九页，共33页。p pn n结比较复杂结比较复杂（金奎娟等）（金奎娟等） 第30页/共32页第三十页，共33页。结语：结语：我们我们(w men)讨讨论了论了下列问题下列问题1，自旋(z xun)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，JT效应9，电荷、自旋(z xun)、轨道有序10，相的分离11，低维“关联电子”系统12，pn结第31页/共32页第三十一页，共33页。感谢您的观看(gunkn)！第32页/共32页第三十二页，共33页。NoI