КВАЗИДВУМЕ́РНЫЕ СОЕДИНЕ́НИЯ

КВАЗИДВУМЕ́РНЫЕ СОЕДИНЕ́НИЯ, кри­стал­лы со слои­стым ти­пом кри­стал­лич. упа­ков­ки и со­от­вет­ст­вен­но силь­ной ани­зо­тро­пи­ей дви­же­ния элек­тро­нов. Внут­ри плос­ко­сти сло­ёв дви­же­ние элек­тро­нов час­то близ­ко к изо­троп­но­му. Элек­трон­ный спектр К. с. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ши­ро­кой зо­ной про­во­ди­мо­сти в плос­ко­сти сло­ёв, а в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном сло­ям, ши­ри­на зо­ны ока­зы­ва­ет­ся на­мно­го мень­ше. Для опи­са­ния та­ко­го дви­же­ния элек­тро­нов обыч­но ис­поль­зу­ет­ся мо­дель эф­фек­тив­ной мас­сы

внут­ри сло­ёв и при­бли­же­ние силь­ной свя­зи для дви­же­ния элек­тро­нов ме­ж­ду слоя­ми (см. Зон­ная тео­рия

 >>

, Бло­хов­ские элек­тро­ны

 >>

). Энер­гия элек­тро­на $\mathscr E$ в за­ви­си­мо­сти от ква­зи­им­пуль­са $\boldsymbol p$ име­ет вид: $\mathscr E(\boldsymbol p_\parallel, \boldsymbol p_\perp)= \boldsymbol p^2_\parallel /2m^*_\parallel+ \delta \cos(\boldsymbol p_\perp d)\hbar$, где $\boldsymbol p_\parallel$ – ква­зи­им­пульс вдоль сло­ёв, $\boldsymbol p_\perp$ – ква­зи­им­пульс по­пе­рёк сло­ёв, $d$ – рас­стоя­ние ме­ж­ду слоя­ми, $m^*_\parallel$ – эф­фек­тив­ная мас­са элек­тро­на в плос­ко­сти слоя, $\delta$ – по­лу­ши­ри­на зо­ны про­во­ди­мо­сти для дви­же­ния ме­ж­ду слоя­ми, $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка.

Силь­ная ани­зо­тро­пия та­ко­го ти­па реа­ли­зу­ет­ся, напр., в слои­стых кри­стал­лах ди­халь­ко­ге­ни­дов пе­ре­ход­ных ме­тал­лов ти­па TaS₂ (ме­тал­лич. про­во­ди­мость) или MoS₂ (по­лу­про­вод­ник), а так­же в их ин­тер­ка­ла­тах с иодом или ин­тер­ка­ла­тах гра­фи­та. В ди­халь­ко­ге­ни­дах пе­ре­ход­ных ме­тал­лов слой ме­тал­ла с двух сто­рон ок­ру­жён слоя­ми халь­ко­ге­нов и связь этих трёх сло­ёв в «сэн­дви­че» яв­ля­ет­ся силь­ной (ко­ва­лент­ной). «Сэн­дви­чи» упа­ко­ва­ны в кри­стал­ле так­же слоя­ми, при­чём их взаи­мо­дей­ст­вие близ­ко к ван-дер-ва­аль­сов­ско­му. В ин­тер­ка­ла­тах ме­тал­лич. слои раз­дви­ну­ты ещё боль­ше не­про­во­дя­щи­ми слоя­ми мо­ле­кул или групп ато­мов, вве­дён­ных в про­стран­ст­во ме­ж­ду «сэн­дви­ча­ми». К К. с. от­но­сят­ся так­же ор­га­нич. про­вод­ни­ки, где пло­ские ор­га­нич. мо­ле­ку­лы упа­ко­ва­ны в це­поч­ки, ко­то­рые, рас­по­ла­га­ясь па­рал­лель­но друг дру­гу, об­ра­зу­ют про­во­дя­щие слои, раз­де­лён­ные не­про­во­дя­щи­ми слоя­ми др. мо­ле­кул; напр., в трио­ди­де бис-(эти­лен­ди­тио)тет­ра­тиа­фуль­ва­ле­на (BEDT-TTF)₂I₃ про­во­дя­щие слои пло­ских мо­ле­кул BEDT-TTF раз­де­ле­ны слоя­ми из ато­мов иода.

Ани­зо­тро­пия про­во­ди­мо­сти $\sigma_\parallel/\sigma_\perp$ ($\sigma_\parallel$ – про­во­ди­мость вдоль слоя, $\sigma_\perp$ – про­во­ди­мость в пер­пен­ди­ку­ляр­ном на­прав­ле­нии) дос­ти­га­ет 50 в слои­стых со­еди­не­ни­ях ти­па TaS₂ и 10⁵ в ин­тер­ка­ла­те TaS₂ с пи­ри­ди­ном.

По ме­ре умень­ше­ния $\delta$ дви­же­ние элек­тро­нов при­бли­жа­ет­ся к дву­мер­но­му, а ни­же не­ко­то­ро­го по­ро­го­во­го зна­че­ния $\mathscr E_0$ для $\delta$ сис­те­ма на­чи­на­ет вес­ти се­бя как дву­мер­ная. По­ро­го­вое зна­че­ние $\mathscr E_0$ сов­па­да­ет с ха­рак­тер­ной энер­ги­ей эф­фек­та. Напр., ес­ли рас­смат­ри­ва­ет­ся эк­си­тон Ва­нье – Moттa в слои­стом по­лу­про­вод­ни­ке, то $\mathscr E_0$ – энер­гия свя­зи эк­си­то­на. При $\delta \gg \mathscr E_0$ реа­ли­зу­ет­ся трёх­мер­ный ани­зо­троп­ный эк­си­тон; при $\delta \ll \mathscr E_0$ эк­си­тон ло­ка­ли­зо­ван в слое. В слу­чае сверх­про­во­ди­мо­сти энер­гия $\mathscr E_0$ по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны рав­на темп-pе сверх­про­во­дя­ще­го пе­ре­хо­да $T$_кр, и при $\delta \gg T$_кр рас­смат­ри­ва­ет­ся обыч­ный ани­зо­троп­ный сверх­про­вод­ник, при $\delta \ll T$_кр реа­ли­зу­ет­ся джо­зеф­со­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие сло­ёв со все­ми свой­ст­ва­ми, ха­рак­тер­ны­ми для джо­зеф­со­нов­ских пе­ре­хо­дов во внеш­них по­лях. Сис­те­мы с $\delta \ll \mathscr E_0$ на­зы­ва­ют­ся ква­зид­ву­мер­ны­ми (в уз­ком смыс­ле) по от­но­ше­нию к рас­смат­ри­вае­мо­му эф­фек­ту. Та­ким об­ра­зом, сис­те­ма мо­жет быть обыч­ной ани­зо­троп­ной для од­но­го яв­ле­ния и ква­зид­ву­мер­ной для др. эф­фек­та.