Una transición de Mott es una transición de metal-no metal en materia condensada . Debido al apantallamiento del campo eléctrico, la energía potencial se vuelve mucho más aguda (exponencialmente) y alcanza su punto máximo alrededor de la posición de equilibrio del átomo y los electrones se localizan y ya no pueden conducir una corriente.
Explicación conceptual
En un semiconductor a bajas temperaturas, cada "sitio" ( átomo o grupo de átomos) contiene un cierto número de electrones y es eléctricamente neutro. Para que un electrón se mueva lejos de un sitio, requiere una cierta cantidad de energía, ya que el electrón normalmente es empujado hacia el sitio (ahora cargado positivamente) por las fuerzas de Coulomb . Si la temperatura es lo suficientemente alta como parade energía disponible por sitio, la distribución de Boltzmann predice que una fracción significativa de electrones tendrá suficiente energía para escapar de su sitio, dejando un agujero de electrones atrás y convirtiéndose en electrones de conducción que conducen la corriente . El resultado es que a bajas temperaturas un material es aislante y a altas temperaturas el material conduce.
Mientras que la conducción en un semiconductor dopado de tipo n- (p-) se establece a altas temperaturas porque la banda de conducción (valencia) está parcialmente llena de electrones (huecos) con la estructura de la banda original sin cambios, la situación es diferente en el caso de la transición de Mott donde cambia la estructura de la banda. Mott argumentó que la transición debe ser repentina, ocurriendo cuando la densidad de electrones libres N y el radio de Bohr satisface .
En pocas palabras, una transición de Mott es un cambio en el comportamiento de un material de aislante a metálico debido a varios factores. Esta transición se sabe que existe en varios sistemas: de metal mercurio vapor-líquido, de metal NH 3 óxidos de soluciones, calcogenuros de metales de transición y metales de transición. [1] En el caso de los óxidos de metales de transición, el material normalmente pasa de ser un buen aislante eléctrico a un buen conductor eléctrico. La transición aislante-metal también puede modificarse por cambios de temperatura, presión o composición (dopaje). Como observó Mott en su publicación de 1949 sobre el óxido de Ni, el origen de este comportamiento son las correlaciones entre los electrones y la estrecha relación que este fenómeno tiene con el magnetismo.
El origen físico de la transición de Mott es la interacción entre la repulsión de electrones de Coulomb y su grado de localización (ancho de banda). Una vez que la densidad de portadores se vuelve demasiado alta (por ejemplo, debido al dopaje), la energía del sistema puede reducirse mediante la localización de los electrones anteriormente conductores (reducción del ancho de banda), lo que lleva a la formación de una banda prohibida, por ejemplo, por presión (es decir, un semiconductor / aislante).
En un semiconductor, el nivel de dopaje también afecta la transición de Mott. Se ha observado que concentraciones más altas de dopante en un semiconductor crean tensiones internas que aumentan la energía libre (actuando como un cambio de presión) del sistema, [2] reduciendo así la energía de ionización.
La barrera reducida facilita la transferencia por túnel o por emisión térmica del donante al donante adyacente. El efecto aumenta cuando se aplica presión por el motivo indicado anteriormente. Cuando el transporte de portadores supera una mínima energía de activación, el semiconductor ha experimentado una transición de Mott y se ha vuelto metálico.
Otros ejemplos de transición metal-aislante incluyen:
- Transición de Peierls / Onda de densidad de carga. Los cambios en la simetría del material conducen a la formación de una banda prohibida en los límites de la zona de Brillouin.
- Los aislantes excitónicos exhiben energías de unión de excitones muy altas que impulsan la transición al estado con huecos.
- Una transición de Mott-Hubbard . El V 2 O 3 dopado con Ti sufre una transición de un aislante antiferromagnético a un estado de conducción magnética desordenada.
- Una transición de cruce de bandas. EuO ordena ferromagnéticamente a partir de un estado semiconductor paramagnético al enfriarse por debajo de su temperatura de Curie. Por debajo de T c , electrones de valencia de europio tienen suficiente energía para cruzar los niveles de trampa debido a las vacantes en los sitios de oxígeno. Esta transferencia de electrones transforma EuO en estado metálico. [3]
- La transición de Mott en semiconductores dopados, por ejemplo, Si: P, Si: As, Si: B, Si: Ga, etc. Estas transiciones se han investigado y demostrado usando dispersión Raman electrónica. [4]
Historia
La teoría fue propuesta por primera vez por Nevill Francis Mott en un artículo de 1949. [5] Mott también escribió una revisión del tema (con una buena descripción general) en 1968. [6] El tema ha sido revisado a fondo en un artículo completo de Imada, Fujimori y Tokura. [7] Se ha informado en la literatura sobre una propuesta reciente de una "fase similar a Griffiths cercana a la transición de Mott". [8]
Ver también
Referencias
- ^ Cyrot, M. (1972). "Teoría de la transición de mott: aplicaciones a los óxidos de metales de transición". Journal de Physique . Ciencias EDP. 33 (1): 125-134. CiteSeerX 10.1.1.463.1403 . doi : 10.1051 / jphys: 01972003301012500 . ISSN 0302-0738 .
- ^ Bose, DN; B. Seishu; G. Parthasarathy; ESR Gopal (1986). "Dependencia del dopaje de la transición semiconductor-metal en InP a altas presiones". Proceedings of the Royal Society A . 405 (1829): 345–353. Código Bibliográfico : 1986RSPSA.405..345B . doi : 10.1098 / rspa.1986.0057 . JSTOR 2397982 . S2CID 136711168 .
- ^ Michel Schlenker; Etienne du Trémolet de Lacheisserie; Damien Gignoux (2005). Magnetismo . Berlín: Springer. ISBN 978-0-387-22967-6.
- ^ Jain, Kanti; Lai, Shui; Klein, Miles V. (15 de junio de 1976). "Dispersión electrónica Raman y la transición metal-aislante en silicio dopado". Physical Review B . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 13 (12): 5448–5464. Código Bibliográfico : 1976PhRvB..13.5448J . doi : 10.1103 / physrevb.13.5448 . ISSN 0556-2805 .
- ^ Mott, NF (1 de junio de 1949). "La base de la teoría electrónica de los metales, con especial referencia a los metales de transición". Actas de la Sociedad de Física. Sección A . Publicación de IOP. 62 (7): 416–422. Código Bibliográfico : 1949PPSA ... 62..416M . doi : 10.1088 / 0370-1298 / 62/7/303 . ISSN 0370-1298 .
- ^ MOTT, NF (1 de septiembre de 1968). "Transición Metal-Aislante". Reseñas de Física Moderna . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 40 (4): 677–683. Código Bibliográfico : 1968RvMP ... 40..677M . doi : 10.1103 / revmodphys.40.677 . ISSN 0034-6861 .
- ^ M. Imada; A. Fujimori; Y. Tojura (1998). "Transiciones Metal-Aislante". Rev. Mod. Phys . 70 (4): 1039. Bibcode : 1998RvMP ... 70.1039I . doi : 10.1103 / RevModPhys.70.1039 .
- ^ Revista de Física Aplicada . 128 : 225102. 2020. arXiv : 2003.11866 . doi : 10.1063 / 5.0018604 . Falta o vacío
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