Введение. Коллективные явления в сильнокоррелированных

Реферат

Коллективные явления в сильнокоррелированных

магнитоупорядоченных низкоразмерных системах

Студента 4 курса

дневной формы обучения

Бродского С.С.

Преподаватель:

к.х.н., доц. Коптева С.Д.

Днепропетровск 2014

Содержание

Введение……………………………………………………………………………….… 4

1. Квантовые размерные эффекты и условия их наблюдения……………………..… 9

1.1. Принцип размерного квантования. Понятие о плотности состояний

в низкоразмерных системах…………………………………………………………..… 9

1.2. Условия наблюдения размерных эффектов……………………………………… 28

1.3. Типы низкоразмерных систем и их свойства………………………………….… 31

1.4. Перспективы использования размерных эффектов в электронике……………. 40

2. Магнетизм коллективизированных электронов…………………………………… 44

2.1. Постоянное магнитное поле в веществе…………………………………………. 44

2.2. Классификация магнетиков…………………………………………………….… 55

2.2.1. Диамагнетики………………………………………………………………….… 55

2.2.2. Парамагнетики…………………………………………………………………… 59

2.2.3. Ферромагнетики………………………………………………………………… 60

2.2.4. Антиферромагнетики…………………………………………………………… 63

2.2.5. Ферримагнетики………………………………………………………………… 63

2.3. Основные типы квазичастиц в магнетиках различных типов……………….… 64

2.4. Общая характеристика обменных сил, их роль в формировании

Упорядоченности магнетиков………………………………………………………… 66

2.5. Коллективные магнитные возбуждения в сильнокоррелированных

низкоразмерных системах. Приближение спиновых волн…………………………. 77

3. Модели для систем с сильной электронной корреляцией………………………… 80

3.1. Введение в проблему……………………………………………………………… 80

3.2. Модель сильной связи…………………………………………………………..… 85

3.3. Гамильтонова матрица и базис для модели сильной связи……………………. 89

3.4. Аналитическое решение модели сильной связи без взаимодействия………..... 97

3.5. Особенности и сравнительный анализ первых квантовых моделей

низкоразмерного магнетизма. Модель Гейзенберга. Модель Изинга…………….. 105

3.6. Модель Хаббарда…………………………………………………………………. 110

3.6.1. Гамильтонова матрица в модели Хаббарда и

её расширенных аналогов…………………………………………………………… 114

3.6.2. Спектр модели Хаббарда и приближение среднего поля……………………. 118

3.6.3. Инварианты в модели Хаббарда………………………………………………. 124

4. Молекулярные магнетики на основе ион-радикальных солей и

комплексов с переносом заряда. Особенности их электронного строения,

магнитного упорядочения и транспортных свойств……………………………….. 127

4.1. Постановка проблемы…………………………………………………………… 127

4.2. Электронно-структурная неустойчивость проводящих систем

с пониженной размерностью………………………………………………………… 133

4.2.1. Теоретические основы структурной неустойчивости……………….……… 134

4.2.2. Условия и параметры, влияющие на структурную

неустойчивость низкоразмерных систем…………………………………………… 140

4.3. Молекулярные магнетики квазиодномерного типа на основе

ион-радикальных солей и комплексов с переносом заряда……………………….. 143

Выводы………………………………………………………………………………… 162

Литература……………………………………………………………………………. 166

Введение

Развитие квантовой электроники, оптоэлектроники и нелинейной оптики приводит к необходимости поиска новых материалов с целью создания оптических и электронных устройств на их основе, обладающих более совершенными характеристиками, чем традиционные. В связи с этим большой интерес исследователей привлекают органические материалы, которые могут использоваться в качестве проводников, полупроводников, аккумуляторов солнечной энергии, транзисторов, сенсоров, светоизлучательных диодов, электрохромных и светочувствительных материалов, преобразователей энергии и информации, что интересно не только в теоретическом отношении, имеет не только большое прикладное, но также и коммерческое значение. Проблема создания органических материалов со специальными и практически важными электрофизическими свойствами стоит довольно давно и носит междисциплинарный характер. Потребность в таких материалах связана, с одной стороны, со значительно большим разнообразием их структурных и физи­ко-химических свойств по сравнению с традиционными неорганическими полупроводниками и металлами, а с другой – с возможностью их непре­рывного химического модифицирования. Здесь следует особо выделить важный способ модифицирования органических соединений, связанный с созданием композиционных материалов на их основе и позволяющий плав­но и в нужном направлении менять механические и электрофизические характеристики этих веществ. Учитывая стремительное развитие наиболее приоритетных направлений в науке и технике, появление таких новых областей как, например спинтроника – усилилась потребность в новых функциональных материалах, обладающих ценными электрофизическими и магнитными свойствами. Подтверждением этому служит появление в последнее время широкого спектра работ по созданию органических полупроводников и проводников, молекулярных магнетиков, низкоразмерных тонкоплёночных материалов, фундаментальных и прикладных исследований их свойств, а также внед­рение в практику ряда важных научных разработок в этой области. На сегодняшний день электропроводящие и полупроводящие, а в области низких температур - сверхпроводящие органические материалы находят своё применение в электронике, приборостроении, машиностроении, в медицине и других отраслях. Созданы органические материалы, проводимость которых достигает проводимости металлов. В литературе есть сведения о подобных веществах с проводимостью, даже превышающей проводимость меди при комнатных температурах. Получены лабораторные образцы органических монокристаллов на основе ион-радикальных солей TTF TCNQ, высокая диэлектрическая проницаемость которых в широком частотном диапазоне, вплоть до СВЧ (при малых потерях), позволяет создавать новые типы согласующих и поглощающих устройств широкого назначения. Кроме того, путём их модифицирования получены новые материалы, на­шедшие применение при производстве электронных приборов и интеграль­ных схем. Этот перечень разработанных в последнее время и уже внедренных в промышленность органических полупроводников, проводников и диэлек­триков можно было бы продолжить. Список же научных разработок новых органических материалов, перспективных для практического использова­ния, был бы еще более обширным. В последнее время теоретически была доказана возможность создания и ор­ганических ферромагнетиков. Значительный прогресс в последнее время наблю­дается в области синтеза и исследования физико-химических и электрофи­зических свойств таких своеобразных органических соединений, как ион – радикальные соли (ИРС) и комплексы с переносом заряда (КПЗ). Эти вещества, как правило, являются молекулярными монокристаллами или поликристалла­ми, но, вообще говоря, существуют и их «полимерные» варианты. Наиболее интересные с точки зрения электрофизики, вещества этого класса обладают квазиодномерной структурой и состоят из набора одно­мерных «стопок» доноров и акцепторов, в связи, с чем их свойства имеют резко выраженный анизотропный характер. Как раз среди этих соединений появились первые органические проводники. Такие соединения, как хинолин тетрацианохинодиметан, метилфеназин тетрацианохинодиметан, акридин тетрацианохинодиметан, тетратиофульвален тетрацианохинодиметан и многие другие, обладают высокой проводимостью с зависимостью от температуры, характерной не для полупроводников, а для металлов. Однако «ме­таллическое» состояние этих соединений весьма неустойчиво. Так, при пониже­нии температуры их проводимость начинает падать, и соединение становится диэлектриком. Интересно, что в результате такого перехода подобные вещества приобретают необычайно высокую диэлектрическую проницае­мость и малый угол потерь в СВЧ-диапазоне, что делает их чрезвычайно перспективными в радиотехнике. В дальнейшем были получены соединения того же класса, которые остаются проводника­ми вплоть до нулевых температур: тетраметилтетраселенфульвален тетрацианохинодиметан, тетраселентетрацен хлор. Сейчас имеются даже органические сверхпроводники этого типа. Речь здесь идёт о таких системах как тетраметил тетраселен фульвален (катион) с противоионами . Ион-радикальным солям (ИРС) и комплексам с переносом заряда (КПЗ) посвя­щено много теоретических работ, благодаря чему удалось выяснить важнейшие факторы, влияющие на формирование электрофизических свойств этих веществ. В частности, было показано, что необходимое условие высо­кой электропроводности состоит в неполном переносе заряда, возникающем в результате коллективного донорно-акцепторного воздействия. Найдены причины так называемых электронных неустойчивостей «металлического» состояния квазиодномерных систем, приводящие к переходу в состояние диэлектрика или полупроводника при низких температурах. В общем случае последние три десятилетия развития физики и химии конденсированного состояния вещества характеризуются тем, что основными объектами исследования всё в большей степени становятся не массивные кристаллы, а тонкие плёнки, многослойные тонкоплёночные материалы, проводящие нити и кристаллиты малого размера. В таких системах существенно меняется большинство электронных свойств – возникает большое число новых, так называемых размерных эффектов. Наиболее кардинальной перестройкой свойств отличаются квантовые размерные структуры, в которых свободные носители заряда локализованы в одном, двух или трёх направлениях. При этом вступают в силу законы квантовой механики, и происходит изменение наиболее фундаментальной характеристики электронной системы – её энергетического спектра. Спектр становится дискретным для движения вдоль координаты, по которой ограничено движение. Если движение ограничено вдоль одного или двух направлений, то под влиянием внешних силовых полей и взаимодействий с рассеивателями (фононы, примеси), могут меняться уже не три, а лишь две или одна из компонент импульса электронов и «дырок», в результате чего носители заряда будут вести себя как квазиодномерный или квазидвумерный электронный газ. Квантово-размерные структуры обладают целой совокупностью уникальных свойств, весьма далёких от того, что можно наблюдать в системе обычных, трёхмерных электронов и «дырок». Наиболее ярким проявлением этого является квантовый эффект Холла в квазидвумерных системах, открытый в 1980 г. и всего пять лет спустя принесший своему первооткрывателю Нобелевскую премию. Такие структуры могут служить основой для создания новых типов полупроводниковых приборов, в первую очередь для опто- и наноэлектроники. То обстоятельство, что квантово-размерные структуры находятся в центре внимания именно сейчас, вызвано интенсивным развитием в последние годы технологии изготовления полупроводниковых структур, открытием явления самоорганизации наноструктур. Физика низкоразмерных систем – актуальнейшая и наиболее динамично развивающаяся область физики твёрдого тела. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений, принципиально новых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для наиболее приоритетных областей электроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи. Всё это приводит к необходимости поиска новых материалов, обладающих более совершенными характеристиками, по сравнению с традиционными. Результатом исследования низкоразменых систем стало открытие принципиально новых, а теперь уже хорошо известных явлений, таких, например, как целочисленный и дробный эффекты Холла в квазидвумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и «дырок», обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляций и многое другое. Весь комплекс явлений, обычно понимаемый под словом «электронные свойства низкоразмерных систем» – имеет в своей основе один фундаментальный физический факт: изменение энергетического спектра электронов и «дырок» в структурах с очень малыми размерами. Практический интерес к изучению, как равновесных свойств, так и явлений электронного переноса в низкоразмных системах связан в первую очередь с широким возможностями их использования в прикладных областях, прежде всего – для создания принципиально новых элементов и устройств, обеспечивающих прогресс в сфере электроники. Наглядным тому свидетельством является создание новых устройств для хранения, обработки и считывания информации, использующих открытое сравнительно недавно явление гигантского магнитосопротивления в мультислойных структурах. Особое внимание заслуживает теоретическое моделирование соединений переходных металлов, имеющих низкоразмерные магнитные подрешётки, что имеет большое значение для оптимизации путей синтеза новых магнетиков для современной наноэлектроники, идущей по пути всё большей миниатюризации современных устройств хранения и обработки информации. Ожидается, что такие магнитные материалы смогут найти применение при разработке элементов памяти, различных сенсорных устройств (например, магнитных хемосенсоров), а также в фармакологии для синтеза и практического получения так называемых магнитных «контейнеров» для адресной доставки сильно действующих лекарственных средств.