无序、玻璃与局域化

跳跃电导

/ HOP-ing kun-DUK-shun /

想象过一条宽河,不走桥,而是从一块垫脚石跳到下一块,那些石头还散布得参差不齐。你没法信步走过;你得一跳一跳地、不连续地前进,而石头相隔多远,决定了你前行有多容易。在无序材料里,被困住的电子从一处到另一处,方式也大致如此——从一个困住点跳到另一个。这种走走停停的输运,就是跳跃电导。

跳跃电导是电流穿过这样一种材料的方式:其中的电子是局域的——被无序钉在特定的点上,而非自由漫游。每个电子不像平滑的波那样滑行,而是困坐在一个格点上,直到一记侥幸的热踢,让它从量子力学上跳到附近一个空格点。电流就是无数次这种跳跃的总和。因为每次跳跃都需要一记热推,跳跃电导随材料变暖而增强、随它变冷而消亡——这与普通金属相反,金属是越冷导电越好。在低温下,电子常常跳得更远,去够一个更容易落脚的点,这个精细化叫作变程跳跃。

跳跃电导之所以重要,是因为它正是电在非晶半导体、掺杂绝缘体,以及太阳能电池、传感器、印刷电子里许多无序材料中移动的方式——凡是载流子局域之处皆然。微妙之处在于:跳跃与晶体那种平滑的能带输运是根本不同的机制:它同时依赖无序和热能,其标志性特征是导电随加热而变好、在最低温度下趋向于零。

非晶硅——许多薄膜太阳能板和老式计算器屏幕里那种无序材料——主要靠跳跃电导来承载电流。它的电子困在杂乱原子网络中散布的格点上,全靠热跳跃才能往前挪。把这样一张薄膜冷却,它的电导骤降;给它加热,电导攀升——这与铜丝恰好相反,正是局域载流子在无序里一跳一跳前进的清晰指纹。

在非晶硅里,被困的电子一格一格地跳;电导随加热而上升——与金属恰好相反。

跳跃电导依赖无序,所以别把它和金属电阻随加热升高搞混。金属越冷导电越好,因为它的电子是自由的波,只被颤动的原子拖慢。而跳跃导体越冷导电越差,因为它的电子被困住,连每一次跳跃都得靠热能才行。

又称
variable-range hopping跳跃导电