Critical phenomena of metal-insulator transition in disordered impurity systems: Effects of spin and compensation

无序杂质系统中金属-绝缘体转变的关键现象：自旋和补偿的影响

基本信息

批准号：
22K03449
负责人：
原嶋庸介
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nara Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は半導体中の不純物濃度の変化により生じる金属絶縁体転移の臨界現象に対する理論研究である。特にexponent puzzleと呼ばれる、臨界指数に対して実験で提案されている2つの値について、そのメカニズムを明らかにするために、スピンの自由度を考慮した系と補償効果を考慮した系の解析を行う。本研究ではスピン自由度の効果と補償効果を取り入れるために、ドナー不純物およびアクセプタ不純物が3次元空間上で不規則に配置された系を考え、密度汎関数理論に基づき電子状態を求める。交換相関汎関数には局所密度近似を用いる。電子状態の局在性の評価にはmultifractal exponentを用いた。2022年度はまずスピンを考慮した系の計算を実施した。臨界指数を求めるには大量のサンプルデータが必要になるが、結果としておよそ180,000組の不純物配置をランダムに生成し、電子状態のデータを取得した。これらのデータは不純物濃度が0.78x10^18 cm^-3から2.10x10^18 cm^-3の間で、複数の系のサイズについて取得されたものである。これを使って有限サイズスケーリングを行うための事前確認として、臨界点が確かに上記の濃度範囲に存在することを確かめるため、multifractal exponentのシステムサイズ依存性を調べた。その結果、不純物が高濃度に含まれる場合と低濃度な場合でサイズ依存性が逆になっており、上記の濃度範囲内に臨界点が存在することが確認できた。今後はこのデータに対して有限サイズスケーリング解析を行い、臨界指数を求める。また、上記の不純物は完全にランダムな配置を取るが、半導体中の不純物の安定な配置についても考慮するために、実際の材料で不純物を添加した場合の不純物配置に対して系統的な解析を行い、その傾向を明らかにした。

本研究是对半导体中杂质浓度变化引起的金属-绝缘体转变临界现象的理论研究。特别是，为了阐明两个实验提出的临界指数值（称为指数之谜）的机制，我们分析了考虑自旋自由度的系统和考虑补偿效应的系统.在本研究中，为了综合考虑自旋自由度和补偿效应的影响，我们考虑了施主和受主杂质在三维空间中不规则排列的系统，并基于密度泛函理论计算电子态。局部密度近似用于交换相关函数。使用多重分形指数来评估电子态的局域化。 2022年，我们首次对考虑自旋的系统进行了计算。确定关键指标需要大量的样品数据，但结果是随机生成了大约18万对杂质构型并获得了电子态数据。这些数据是针对杂质浓度在 0.78x10^18 cm^-3 和 2.10x10^18 cm^-3 之间的多个系统尺寸获得的。作为使用此执行有限尺寸缩放的初步检查，我们研究了多重分形指数的系统尺寸依赖性，以确认临界点确实存在于上述浓度范围内。结果，确认了当以高浓度包含杂质时和当以低浓度包含杂质时，尺寸依赖性反转，并且在上述浓度范围内存在临界点。未来，我们将对这些数据进行有限尺寸缩放分析，以找到关键指标。此外，虽然上述杂质采取完全随机的排列，但为了考虑半导体中杂质的稳定排列，我们对实际材料中添加杂质时的杂质排列进行了系统分析，并明确了趋势。