金属-绝缘体转变

从金属导体变成不导电的绝缘体的物理转变或其逆转变

金属－绝缘体转变（metal-insulator transition）是指从金属导体变成不导电的绝缘体（或半导体）的物理转变或其逆转变。这种转变大体有三类：布洛赫－威尔逊转变、莫脱转变、安德森转变。

物理转变

布洛赫–威尔逊转变

A.威尔逊成功地应用F.布洛赫的能带理论来区别金属、绝缘体及半导体（见能带）。压力、温度等外界因素会改变晶格常数甚至晶体结构，从而改变固体各个能带之间的相对位置，使本来能量重叠的两个能带分开而显现能隙，导致金属导体变为绝缘体或半导体；或者使绝缘体的满带和空带在能量上发生重叠，能隙消失导致绝缘体变成金属。

莫脱转变

N.莫脱指出，单电子的能带理论没有考虑电子间的关联作用。如Na价电子处于3s轨道。当众多Na原子凝结成体心立方晶格时，3s能级展宽为3s能带，其带宽B依赖于相邻两个Na原子3s轨道的交叠，以及每个Na有多少个最近邻原子数Z。按照能带理论，不论晶格常数a为何值，3s能带总是半满的，Na晶体都是金属性的。但当a增大到临界值ac时，Na的电导率突降为零，变成绝缘体。这是因为Na原子中第一个电子处于3s轨道后，再有一个电子进入同一轨道，这个电子便受到电子的库仑力排斥，其能量U必须升高，这个能量就是关联能。当UB时，关联能U足以改变能带结构，使原来能带分成两支，能带中心相隔距离为U，这时Na晶体在晶格常数a达到临界值时，只有能量低的那支能带充满电子，变成为绝缘体。

安德森转变

1958年P.安德森在独立电子运动图像范围，提出晶格中无规势会引起电子态局域化。他设想晶格仍维持周期性，但每个原子用一势阱代表，不同格点原子势阱深度无规变化，带来不同格点原子能级在能量范围W之内随机变化。势阱的无序程度以W来表征。当W与严格周期势产生的能带宽B相比较小时，无序势并不足以破坏电子态，而是使能带电子在运动中受到散射，改变其自由程。但当W＞B时，晶格中所有的单电子量子态都变成局域态，电子被局限在一定范围内运动，不再有大范围的扩展运动，从而退出电荷传输过程，这时发生金属到绝缘体转变。

理论诠释

能带理论成功地说明了金属和绝缘体、半导体的区别：当温度趋于绝对零度时，有一个或几个能带没有填满，仍有大量可以自由运动传输电流的电子的固体是导体；有几个能带完全填满，剩下的完全空着的固体，便是绝缘体或半导体。满带和空带之间的能量间隙称作禁带（见固体的能带，固体的导电性）。由此只有每个元胞内的价电子数目是偶数的晶体，才有可能是绝缘体或半导体；每个元胞内价电子数目是奇数的便只可能是导体。但外界条件（如压力、温度）的变化，能引起点阵常数的变化，甚至引起点阵结构的变化，从而改变各个能带的相对位置，使绝缘体（半导体）的满带和空带发生能量重叠，禁带就不存在了，变成导体；或者相反，使重叠的能带分开，出现禁带，从导体变成绝缘体（半导体）。这种导体和绝缘体相互转变的情况是很多的。

然而，当一个绝缘体的空带和满带发生很小的能量重叠时，它一定会成为导体吗？N.莫脱在1949年最先提出了这个令人深省的问题。假如考虑到这时导带中出现的电子和满带中出现的空穴之间的库仑作用，它们之间有可能形成电子－空穴对的束缚态，即激子（见固体中的元激发）。在一定条件下，这些电子和空穴全部组成激子的状态可能比单纯的能带填充状态的能量更低。这时的固体便是一个存在着很多激子的固体，仍然是一个绝缘体而不是导体。只有在重叠得相当多，这种“激子相”的状态不是能量最低的状态时，才会转变为导体。所以绝缘体－导体这个转变，便不能是“连续地”发生的：或是绝缘体，或是至少有一定数量（不能为零）的载流子的导体。按照同样的概念，元胞内有奇数个价电子的晶体，也不一定是导体。例如由氢原子组成的一个简单点阵，当点阵常数比较大时，便不能简单地把它看作是一个有效质量非常大（导带非常窄）的导体；因为，这时由于电子间的关联，电子不能是“共有化”的电子。只有当点阵常数小于某一个临界值后，它才可以看作是导体。莫脱提出，这个临界值可以选择为，把它当作导体时，其电子气的库仑屏蔽长度（见德拜长度）小于氢原子的玻尔半径。正是在这个临界值上发生金属－绝缘体的转变。很多实验事实（如掺杂半导体的低温电导、某些氧化物的电导等）都证实了莫脱的概念。由此也发展了一些比较深入的理论。

对无序固体，还有另一种金属－绝缘体转变。根据P.安德森的理论，在无序势场中运动的电子，存在着某些状态密度虽不为零，但电子态是局域化的能量范围（见非晶态半导体）；如果这个无序固体的费米能量落在这个能量范围内，它便是绝缘体，否则便是导体。因此，费米能级进入或离开这个范围是一种金属－绝缘体转变。显然，这是和前述莫脱提出的概念本质不同的另一种金属－绝缘体转变。人们常把前者称莫脱转变，后者称安德森转变。后来不少实验事实证明了安德森转变的存在。但是，电子的相关性可能也起了作用。

低维系统或准低维系统的金属－绝缘体转变是和三维体系性质不同的问题（见一维和二维固体、低维导体）。

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