非磁性金属纳米颗粒膜的微观结构和电输运性质

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金属颗粒膜集单个金属颗粒的性质和互耦合纳米晶的集体性质于一身,表现出丰富的不同于块体材料的物理性质,在新型光电器件和光伏电池方面具有巨大的潜在应用价值。另一方面,金属颗粒膜的无序程度、电子结构和电子关联易于调节,为研究基础物理问题提供了良好的实验场所。本论文采用双靶共溅射方法制备了系列Mox(SnO2)1-x颗粒薄膜,二维、三维以及不同基底温度的Agx(SnO2)1-x颗粒薄膜,并对它们的微观结构和电输运性质进行了系统研究。在金属体积分数低于经典逾渗阈值的Mo-SnO2颗粒薄膜中,我们观察到了电导率与温度的σ~exp[(T0/T)1/2]依赖行为。通过详细地对比讨论,我们发现实验结果并不能用变程跃迁和共隧穿模型来解释,而是更满足Sheng等人提出的考虑颗粒结构效应的跳跃导电模型。高温区间的导电行为由热涨落导致的隧穿(FIT)机制主导,随着金属体积分数x的增大,薄膜电导率在很低的温度下都依然保持着FIT导电行为。我们在二维和三维排列的Ag-SnO2颗粒薄膜中都观察到了霍尔系数(RH)和电导率(σ)与温度的lnT依赖关系,这种行为从强耦合作用区域(颗粒间隧穿电导g T1)至临界电导gc附近的区域都存在,这是来自于颗粒间电子-电子库仑相互作用的量子修正。对于g T1的薄膜,库仑相互作用的影响很小,可以视为微扰处理。随着x的减小,库仑相互作用增强,使得RH和σ的相对变化量也逐渐增大,至gc附近,三维排列薄膜中Δ σ/σ的值增大到~60%,这时库仑相互作用已不能作为微扰处理。但是,理论上基于g T1区域提出的表达式在g T→gc区域却仍然是成立的,对此还需要进一步的理论研究和计算。另外,三维Ag-SnO2颗粒薄膜的基底温度从573K上升至673K,gT基本相同的薄膜中,平均颗粒尺寸增大了~2nm,电导率满足lnT修正的最低温度也降低了近一半,这与理论计算的结果基本一致。在Mo-SnO2薄膜中,我们观察到了巨霍尔效应(GHE),霍尔迁移率也在量子逾渗阈值附近增大约一个量级。另一方面,厚度~500nm、~28nm和~9nm的Ag-SnO2薄膜中都没有观察到GHE,霍尔迁移率也没有出现峰值现象,而是发生了经典逾渗转变。两个体系截然不同的行为与其微观结构有很大的关系。Mo-SnO2薄膜中存在大量的Mo和SnO2微结构,使得量子逾渗主导电子的输运过程。而在Ag-SnO2薄膜中,Ag形成球形颗粒结构,没有微结构出现,输运性质由经典逾渗主导。但是,其内在物理机制还需要理论上进一步的研究。
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