无序、玻璃与局域化

迁移率边

/ moh-BIL-ih-tee ej /

想象一场拥挤的庆典,前排精力充沛、吃饱喝足的人能一路挤过整个场地,而后排疲惫的掉队者却被困在一个角落里打转。两者之间某处有一条分界线:在它之上,你能自由行动;在它之下,你被困住。在一种无序材料里,电子按能量排开后的那条分界线,就是迁移率边。

迁移率边是一个特殊的能量,它把能穿过无序材料行进的电子,与被无序卡住、即被局域的电子分隔开来。固体里的电子有一段可能的能量范围;在凌乱的材料里,安德森局域化把低能量的电子困在小口袋里,而高能量的电子仍有足够的自由铺展过整块样品。迁移率边正是这种转换发生的精确能量。一种材料是否导电,于是取决于它的电子恰好坐在迁移率边的哪一侧:若填得最高的电子在它之上,材料导电;若在它之下,则绝缘。

迁移率边之所以重要,是因为它给了我们一个清晰的方式去理解无序材料如何在导电与绝缘之间切换——这种切换不是靠加减电子,而是靠把迁移率边滑过它们而驱动。微妙之处在于,迁移率边不是空间里的一堵硬墙;它是能量上的一道门槛,而且只在三维里存在。在一维或二维里,理论说无序会把几乎所有电子都局域住,于是根本没有迁移率边。

在一块被冷却到接近绝对零度的掺杂半导体里,你可以通过加入更多掺杂原子,把电子扫过迁移率边。掺杂少时,电子坐在迁移率边以下,困在各自的宿主原子附近,材料绝缘。掺得足够多,电子便升到边之上、进入延展态——样品骤然开始导电,这是一场纯由无序驱动的金属—绝缘体转变。

加入掺杂剂把半导体的电子推过迁移率边,让它从绝缘体翻转成导体。

别把迁移率边想成材料内部的某个地点。它是一个能量值,不是一处位置:某个能量的电子四处漫游,而坐在同一块材料里、能量略低一点的电子却被冻在原地。这条「边」分的是能量的阶梯,不是物理空间。

又称
mobility threshold迁移率边界