非磁性金属纳米颗粒膜的电子输运性质研究

金属纳米颗粒薄膜材料具有不寻常的电学、光学、磁学和力学性质，在新型光电器件领域具有巨大的应用潜力；同时金属纳米颗粒薄膜具有介观属性，且电子性质易于调节，因此也是研究介观物理基础问题的绝佳材料。本研究拟对Mo-SnO2、Cu-SiO2及W-SnO2等非磁性金属颗粒薄膜的电子输运性质做系统研究，研究它们的霍尔系数、电阻率、热电势随温度、金属颗粒尺寸及金属体积分数的变化规律，同时也对这些颗粒膜系统的电子能态密度进行系统研究，解明非磁性金属纳米颗粒薄膜在高温依然存在巨霍尔效应的物理原因，找出金属体积分数大于逾渗阈值时金属纳米颗粒薄膜依然具有负电阻温度系数的根源，探究局域量子干涉效应、库仑相互作用等对霍尔效应、热电势、电阻率及电子能态密度的影响规律，为金属纳米颗粒薄膜材料在光电器件中的应用提供科学依据。

本项目的研究内容及思路主要是基于金属-绝缘体颗粒薄膜中的巨霍尔效应和电子的库仑相互作用而提出的。一方面拟针对金属-绝缘体颗粒膜中巨霍尔效应的来源展开研究，另一方面拟对电子的库仑相互作用对颗粒膜的电子输运性质的影响展开研究。为确信巨霍尔效应的存在，我们首先重新制备Mox(SnO2)1-x颗粒膜，并对颗粒膜中的霍尔效应及其电子输运性质进行系统研究。研究发现，重新制备的Mox(SnO2)1-x体系呈现良好的颗粒性质，其中仍存在着巨霍尔效应，即在液氦温区，当x从0.4降到0.32时，霍尔系数增加了约1000倍，远高于经典逾渗理论值，随着温度的升高，巨霍尔效应逐渐消失，进一步研究发现，低温下Mox(SnO2)1-x中电子的退相干长度远大于颗粒尺寸，因此薄膜中的巨霍尔效应来源于局域量子干涉效应。同时我们对Agx(SnO2)1-x颗粒系统中的霍尔效应也做了系统研究，发现其中不存在巨霍尔效应，同时低温电子的退相干长度可以和颗粒尺寸比拟，因此局域量子干涉效应只发生在单个金属颗粒内部，因而不存在巨霍尔效应。上述研究从多方面证明了局域量子干涉效应是产生巨霍尔效应的重要原因。本项目的第二项研究集中于非磁性金属-绝缘体颗粒系统中库仑相互作用问题，在超薄的Sn:In2O3、Al:ZnO薄膜以及二维和三维的Agx(SnO2)1-x颗粒膜中，我们发现在液氦温度以上较大的温度范围内，电导率和霍尔系数都与lnT呈线性关系，通过定量比较，上述发现从实验上全面证明了金属颗粒系统中电子-电子库仑相互作用理论的正确性。我们还发现，颗粒系统中电子-电子相互作用理论在逾渗阈值附近依然成立。本项目的第三项研究工作集中于三维无序导体中电子-电子散射的问题，利用透明导电氧化物材料导电性好、载流子浓度低、具有类自由电子的能带结构等特性，我们在三维Sn:In2O3、F:SnO2、In2O3薄膜中全面验证了关于电子-电子散射理论的正确性，这在实验上属于首次。虽然该理论早在40年前就已提出，但由于一般三维无序导体中载流子浓度高，电子-电子相互作用被电子-声子相互作用淹没，因此该理论一直未能在实验上得以验证。在该基金支持下，本项目共培养硕士生9人博士生2人，发表学术论文16篇，其中Phys. Rev. B 2篇，Appl. Phys. Lett. 5篇。