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→ 自旋“序”就不同

* 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）

3LaMnO

* 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）

3LaMnO

2222 3,3 ryrx

* 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 ＋

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，

35.05.0 MnOSrLa

电荷、自旋、轨道有序

35.05.0 MnOSrLa

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）

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。

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。

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

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）

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。

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。

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：半导体界面 ,电场（门电压）

改变载流子浓度、维度和类型

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

Mn 基 MIS

La1 －xBaxMnO3

（ as LBMO)

PbZr0.2Ti0.8O3 (as PZT)

SrTiO3(001) (as STO) 脉冲激光镀膜(PLD)

极化 PZT 作绝缘体 （为了提高界面电场）

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

困难点――― ABO3 MIS 具较高浓度。

而，半导体 MIS 有较低浓度。

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 ）。

)(4

2 FTF ge

数值例， 重掺杂半导体 金属

MOS 的 S和 D 之间的距离

LatticeAs 3020100

LatticeAs 131

sD 32

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 。

2

1

2

DA

dscd NNe

KZ

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

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”

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

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）

磁电阻－温度关系

电压增高导致MR减小（强关联特征）

p－ n结比较复杂

（金奎娟等）

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

结束