非磁性金屬納米顆粒膜的電子輸運性質研究

《非磁性金屬納米顆粒膜的電子輸運性質研究》是依託天津大學，由李志青擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非磁性金屬納米顆粒膜的電子輸運性質研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李志青
• 依託單位：天津大學

項目摘要

金屬納米顆粒薄膜材料具有不尋常的電學、光學、磁學和力學性質，在新型光電器件領域具有巨大的套用潛力；同時金屬納米顆粒薄膜具有介觀屬性，且電子性質易於調節，因此也是研究介觀物理基礎問題的絕佳材料。本研究擬對Mo-SnO2、Cu-SiO2及W-SnO2等非磁性金屬顆粒薄膜的電子輸運性質做系統研究，研究它們的霍爾係數、電阻率、熱電勢隨溫度、金屬顆粒尺寸及金屬體積分數的變化規律，同時也對這些顆粒膜系統的電子能態密度進行系統研究，解明非磁性金屬納米顆粒薄膜在高溫依然存在巨霍爾效應的物理原因，找出金屬體積分數大於逾滲閾值時金屬納米顆粒薄膜依然具有負電阻溫度係數的根源，探究局域量子干涉效應、庫侖相互作用等對霍爾效應、熱電勢、電阻率及電子能態密度的影響規律，為金屬納米顆粒薄膜材料在光電器件中的套用提供科學依據。

結題摘要

本項目的研究內容及思路主要是基於金屬-絕緣體顆粒薄膜中的巨霍爾效應和電子的庫侖相互作用而提出的。一方面擬針對金屬-絕緣體顆粒膜中巨霍爾效應的來源展開研究，另一方面擬對電子的庫侖相互作用對顆粒膜的電子輸運性質的影響展開研究。為確信巨霍爾效應的存在，我們首先重新製備Mox(SnO2)1-x顆粒膜，並對顆粒膜中的霍爾效應及其電子輸運性質進行系統研究。研究發現，重新製備的Mox(SnO2)1-x體系呈現良好的顆粒性質，其中仍存在著巨霍爾效應，即在液氦溫區，當x從0.4降到0.32時，霍爾係數增加了約1000倍，遠高於經典逾滲理論值，隨著溫度的升高，巨霍爾效應逐漸消失，進一步研究發現，低溫下Mox(SnO2)1-x中電子的退相干長度遠大於顆粒尺寸，因此薄膜中的巨霍爾效應來源於局域量子干涉效應。同時我們對Agx(SnO2)1-x顆粒系統中的霍爾效應也做了系統研究，發現其中不存在巨霍爾效應，同時低溫電子的退相干長度可以和顆粒尺寸比擬，因此局域量子干涉效應只發生在單個金屬顆粒內部，因而不存在巨霍爾效應。上述研究從多方面證明了局域量子干涉效應是產生巨霍爾效應的重要原因。本項目的第二項研究集中於非磁性金屬-絕緣體顆粒系統中庫侖相互作用問題，在超薄的Sn:In2O3、Al:ZnO薄膜以及二維和三維的Agx(SnO2)1-x顆粒膜中，我們發現在液氦溫度以上較大的溫度範圍內，電導率和霍爾係數都與lnT呈線性關係，通過定量比較，上述發現從實驗上全面證明了金屬顆粒系統中電子-電子庫侖相互作用理論的正確性。我們還發現，顆粒系統中電子-電子相互作用理論在逾滲閾值附近依然成立。本項目的第三項研究工作集中於三維無序導體中電子-電子散射的問題，利用透明導電氧化物材料導電性好、載流子濃度低、具有類自由電子的能帶結構等特性，我們在三維Sn:In2O3、F:SnO2、In2O3薄膜中全面驗證了關於電子-電子散射理論的正確性，這在實驗上屬於首次。雖然該理論早在40年前就已提出，但由於一般三維無序導體中載流子濃度高，電子-電子相互作用被電子-聲子相互作用淹沒，因此該理論一直未能在實驗上得以驗證。在該基金支持下，本項目共培養碩士生9人博士生2人，發表學術論文16篇，其中Phys. Rev. B 2篇，Appl. Phys. Lett. 5篇。