孤立金纳米颗粒单电子隧穿能谱的系统研究

近年来，作为下一代单电子隧穿型器件的核心部分，具有外包覆膜的贵金属纳米颗粒在国内外科学界及产业界引起了广泛关注和大量研究。本项目拟采用Brust方法合成得到具有包覆膜的纯化金纳米颗粒，利用配体交换将纳米颗粒固定在绝缘衬底表面。通过单电子隧穿力学显微技术找到孤立纳米颗粒，原位测量其单电子隧穿谱，从而得到纳米颗粒在绝缘衬底上的能级结构。选择不同绝缘衬底和适合的包覆膜，测量不同条件下纳米颗粒的电子隧穿谱，对比它们之间的差异，分析颗粒与衬底之间的耦合作用以及包覆膜对其能级结构的影响，提出合理的理论模型解释能级结构的异同，最后综合利用以上数据，研究能量驰豫问题，加深理解其中的物理图景，为隧穿型，自旋开关型纳米电子器件提供实验数据支持和理论指导。

绝缘衬底上的金属纳米颗粒在纳米电子学，太阳能电池等领域展现出极具潜力的应用前景。本项目对在二氧化硅、氮化硅以及二氧化铪表面上的孤立金纳米颗粒进行了单电子隧穿谱的实验测量，从而得到了相应的能级结构，并且根据实验结果进一步进行了理论分析，定性解释了不同衬底能谱曲线的测量结果，并且提出衬底间的电子缺陷可能是能谱中的中间态能级产生的原因。研究结果主要包括以下三方面内容：（1）化学合成实验所需的纳米颗粒，对绝缘衬底表面修饰保证颗粒可粘附在表面而不团聚。测量比较了不同绝缘衬底上的金纳米颗粒的单电子隧穿能谱，得到了基本的能级结构参数，例如带隙宽度与充电能量等。根据能谱显示纳米颗粒具有能带带隙，与宏观固体相比其电学性质发生明显转变。当纳米颗粒周围衬底中电子缺陷不太密集时，不同绝缘衬底上所得到的单电子隧穿谱线差别不大，说明纳米颗粒的能级结构对衬底成分环境不敏感。通过平行板电容器模型和三维电子隧穿模型对衬底环境与纳米颗粒之间的弱相互作用与相似能谱结构进行定性解释，与实验所观察的现象符合的较好。（2）研究了不同包覆层对纳米颗粒能级结构的影响。发现所实验的包覆层对能级结构不会造成定性影响，尽管带隙宽度和充电能量会有定量上差别。（3）通过控制施加在衬底上偏压的幅度与极性，以及探针与纳米颗粒之间的距离等参数，可以准确确定中间态能级和电子缺陷的空间位置与能量位置。实验研究了绝缘衬底中的缺陷分布，能量位置对纳米颗粒隧穿能谱的影响与相互联系，发现了当缺陷密度较大的样品，例如二氧化铪，更容易产生能量弛豫现象，从而实验上提出了一个有力的证据，证实隧穿能谱中的中间态能级可能产生于衬底中的电子缺陷。另外，通过在衬底施加交流电压，可以动态调控电子在探针与中间态能级之间的隧穿输运，可进一步提高中间态能级能量位置识别的分辨率。