银掺杂二氧化锡纳米颗粒膜的电输运性质研究

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由纳米量级金属颗粒和绝缘体母体组成的纳米颗粒薄膜具有极其丰富的物理性质,为了研究量子隧穿作用以及电子-电子相互作用对金属纳米颗粒膜电子输运性质的影响,本文用磁控溅射法制备了一系列厚度约为500nm的Ag-SnO2颗粒膜,利用X射线能谱分析确定Ag的体积分数x,得到x的分布范围为0.20x0.90,并用台阶仪、透射电子显微镜和物理性能测试系统分别分析了样品的厚度、薄膜内部微观结构以及电子输运性质。当x从~0.20增大到~0.90时,Ag-SnO2颗粒膜依次出现两个逾渗转变,并在每个逾渗阈值附近(x>xci,i=1,2),电导率与体积分数的关系都很好的满足经典逾渗公式。在第一个逾渗阈值xc1(xc1>xc2)附近发生的逾渗现象,起源与经典的逾渗类似,其逾渗网络是由最近邻的Ag颗粒之间的隧穿连接构成的。而第二个逾渗转变则源于次近邻的银颗粒之间的隧穿作用。本文的结果为金属-绝缘体颗粒膜当中的隧穿作用相关理论提供了可靠的实验依据。我们也仔细测量了Ag-SnO2颗粒膜在金属区域(xc1x0.65)电导率和霍尔系数随温度的变化,在这个区域,Ag-SnO2颗粒膜表现出强耦合性。其电导率在2到~100K的温度范围内都遵从ln T的规律,这是颗粒结构中的电子-电子相互作用导致的。同时,在更大的温区内(从液氦温度一直到接近室温),薄膜的霍尔系数RH与温度的关系为R H lnT,根据颗粒膜的电子电子相互作用理论,这种lnT的依赖关系同样源于电子的库仑作用,也称虚电子散射。这些结果为近期三维金属颗粒体系中电子-电子相互作用理论提供了实验支持。另外,第一个逾渗阈值xc10.50处的霍尔系数与高x值处(例如x0.90)相比,增大了约7倍,说明在我们的Ag-SnO2颗粒膜中并没有出现巨霍尔效应,其原因是当x=xc1时,退相干长度与颗粒尺寸接近,不足以提供发生量子干涉的条件,因此,在逾渗阈值附近Ag-SnO2颗粒膜霍尔系数的增大值更接近于经典逾渗理论的预测值。
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