Локализация Андерсона

Примесный атом. В периодическом поле кристалла электрон с энергией в разрешенной зоне, описывается волной Блоха и рассматривается как свободная квазичастица, обнаруживаемая в любом месте кристалла. Примесный атом нарушает периодичность кристалла, происходит захват электрона атомом – локализация. Энергия электрона изменяется, оказывается в запрещенной зоне. Явление описал Филипп Уорен Андерсон в 1958 г.

Спектральное уравнение. Примесный атом внедрения, находящийся в точке кристалла, дает вклад в потенциальную энергию электрона. Уравнение Шредингера получает вид

, (3.88)

где – гамильтониан электрона в невозмущенной решетке конечного размера. Решение разлагаем по базису N невозмущенных функций дискретного спектра разрешенной зоны

. (3.89)

Требуется найти N коэффициентов . Невозмущенные функцииявляются собственными функциями гамильтониана

,

и образуют ортонормированный базис. Подставляем (3.89) в (3.88) и получаем одно уравнение

с (N + 1) неизвестными: , E.

Найдем энергию E, проектируя уравнение на орт m. Для этого умножаем уравнение на , интегрируем по объему кристалла и используем:

1) Ортонормированность ортов базиса

;

2) Фильтрующее свойство дельта-функции

;

3) Фильтрующее свойство символа Кронекера.

Получаем

. (3.90)

С учетом (3.89)

сумма в (3.90) равна . Находим коэффициент разложения

. (3.91)

Подстановка ииз (3.91) в (3.90) дает

.

Составляющие, показанные одинаковым цветом, сокращаются. В результате имеем уравнение с одним неизвестным

.

Приводим слагаемые суммы к общему знаменателю и получаем алгебраическое уравнение для энергии электрона Е

. (3.92)

Анализ уравнения. Неизвестное Е имеет степень N, где N – число невозмущенных состояний спектра разрешенной зоны, поэтому уравнение имеет N решений для энергий возмущенных уровней.

В левой стороне находится полином по Е степени N, в правой – степени (N – 1).

При правая сторона (3.92) равна нулю. В левой стороне энергия принимает одно из невозмущенных значений. Следовательно,при слабом возмущении спектр не изменяется.

При сильном возмущении в виде отталкивания , или притяженияэнергиярастет. В левой стороне (3.92) главный вклад дает наибольшая степень , тогда для одного из решений получаем . Остальныерешений конечные. Если левая сторона (3.92) конечная, а справаV неограниченно растет, то его сомножитель должен стремиться к нулю. Получаем уравнение степени

.

В результате решений для близки корням невозмущенного уравнения. Следовательно, при локальном возмущении кристаллической решетки один уровень разрешенной зоны отщепляется и при поднимается вверх, при опускается вниз. В запрещенной зоне появляется состояние . Остальные уровни практически не меняют своего положения. Исследуем состояние .

Состояние в запрещенной зоне согласно (3.89)

разлагается в ряд по базису невозмущенных функций дискретного спектра разрешенной зоны

.

Из (3.91)

находим коэффициенты

,

где учтено ипри. Подставляем коэффициенты в разложение

,

где использована полнота базиса в виде

.

Следовательно, при сильном возмущении электрон в запрещенной зоне локализован в области возмущения . Чем слабее возмущение, тем ближе энергия электрона к разрешенной зоне и больше область локализации. При локализованное состояние переходит в нелокализованное состояние разрешенной зоны, обнаруживаемое в любом месте кристалла.