無序、玻璃與局域化
遷移率邊
/ moh-BIL-ih-tee ej /
想象一場擁擠的慶典,前排精力充沛、吃飽喝足的人能一路擠過整個場地,而後排疲憊的掉隊者卻被困在一個角落裡打轉。兩者之間某處有一條分界線:在它之上,你能自由行動;在它之下,你被困住。在一種無序材料裡,電子按能量排開後的那條分界線,就是遷移率邊。
遷移率邊是一個特殊的能量,它把能穿過無序材料行進的電子,與被無序卡住、即被局域的電子分隔開來。固體裡的電子有一段可能的能量範圍;在凌亂的材料裡,安德森局域化把低能量的電子困在小口袋裡,而高能量的電子仍有足夠的自由鋪展過整塊樣品。遷移率邊正是這種轉換發生的精確能量。一種材料是否導電,於是取決於它的電子恰好坐在遷移率邊的哪一側:若填得最高的電子在它之上,材料導電;若在它之下,則絕緣。
遷移率邊之所以重要,是因為它給了我們一個清晰的方式去理解無序材料如何在導電與絕緣之間切換——這種切換不是靠加減電子,而是靠把遷移率邊滑過它們而驅動。微妙之處在於,遷移率邊不是空間裡的一堵硬牆;它是能量上的一道門檻,而且只在三維裡存在。在一維或二維裡,理論說無序會把幾乎所有電子都局域住,於是根本沒有遷移率邊。
在一塊被冷卻到接近絕對零度的摻雜半導體裡,你可以通過加入更多摻雜原子,把電子掃過遷移率邊。摻雜少時,電子坐在遷移率邊以下,困在各自的宿主原子附近,材料絕緣。摻得足夠多,電子便升到邊之上、進入延展態——樣品驟然開始導電,這是一場純由無序驅動的金屬—絕緣體轉變。
加入摻雜劑把半導體的電子推過遷移率邊,讓它從絕緣體翻轉成導體。
別把遷移率邊想成材料內部的某個地點。它是一個能量值,不是一處位置:某個能量的電子四處漫遊,而坐在同一塊材料裡、能量略低一點的電子卻被凍在原地。這條「邊」分的是能量的階梯,不是物理空間。
又稱
另見