無序、玻璃與局域化

跳躍電導

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想象過一條寬河,不走橋,而是從一塊墊腳石跳到下一塊,那些石頭還散佈得參差不齊。你沒法信步走過;你得一跳一跳地、不連續地前進,而石頭相隔多遠,決定了你前行有多容易。在無序材料裡,被困住的電子從一處到另一處,方式也大致如此——從一個困住點跳到另一個。這種走走停停的輸運,就是跳躍電導。

跳躍電導是電流穿過這樣一種材料的方式:其中的電子是局域的——被無序釘在特定的點上,而非自由漫遊。每個電子不像平滑的波那樣滑行,而是困坐在一個格點上,直到一記僥倖的熱踢,讓它從量子力學上跳到附近一個空格點。電流就是無數次這種跳躍的總和。因為每次跳躍都需要一記熱推,跳躍電導隨材料變暖而增強、隨它變冷而消亡——這與普通金屬相反,金屬是越冷導電越好。在低溫下,電子常常跳得更遠,去夠一個更容易落腳的點,這個精細化叫作變程跳躍。

跳躍電導之所以重要,是因為它正是電在非晶半導體、摻雜絕緣體,以及太陽能電池、傳感器、印刷電子裡許多無序材料中移動的方式——凡是載流子局域之處皆然。微妙之處在於:跳躍與晶體那種平滑的能帶輸運是根本不同的機制:它同時依賴無序和熱能,其標誌性特徵是導電隨加熱而變好、在最低溫度下趨向於零。

非晶矽——許多薄膜太陽能板和老式計算器屏幕裡那種無序材料——主要靠跳躍電導來承載電流。它的電子困在雜亂原子網絡中散佈的格點上,全靠熱跳躍才能往前挪。把這樣一張薄膜冷卻,它的電導驟降;給它加熱,電導攀升——這與銅絲恰好相反,正是局域載流子在無序裡一跳一跳前進的清晰指紋。

在非晶矽裡,被困的電子一格一格地跳;電導隨加熱而上升——與金屬恰好相反。

跳躍電導依賴無序,所以別把它和金屬電阻隨加熱升高搞混。金屬越冷導電越好,因為它的電子是自由的波,只被顫動的原子拖慢。而跳躍導體越冷導電越差,因為它的電子被困住,連每一次跳躍都得靠熱能才行。

又稱
variable-range hopping跳跃导电