金属-绝缘体转变附近纳米金属颗粒膜的电子输运性质研究

Nanogranular metals combine the unique properties of individual and collective properties of coupled nanocrystals opening a new route for potential novel electronic, optical, and optoelectronic applications. The ease of adjusting electronic properties of granular metals makes them most suitable for fundamental studies of mesoscopic physics. In this proposal, we will fabricate several series of nonmagnetic nanogranular metal films and superconductor granular films with different volumes fraction of metals and grain sizes. The “granular metal film/insulator barrier/normal metal” type tunneling junction will be also prepared. Thus the electronic transport properties and tunneling spectra of the samples could be measured near the metal-insulator transition. Three parts of investigations are included in the proposal. Firstly, we will test whether there is an abnormal change of the Hall mobility in the nanogranular metal films near the metal-insulator transition, and explore the related mechanisms. Secondly, we will experimentally investigate the influences of Coulomb electron-electron interaction effect on the electronic density of states and longitudinal and Hall transport properties near metal-insulator transition. Finally, we will investigate whether there is a universal tunneling resistance for superconductor-insulator transition. We will measure the tunnel spectra of the films revealing quasireentrant superconductivity near the transition temperatures, and expect to disclose the physical mechanisms of the phenomenon.

纳米金属颗粒薄膜材料具有独特的力学、光学和电磁学性质，在光伏、发光、新型传感器等领域具有巨大的应用潜力，同时纳米金属颗粒薄膜中金属体积分数和颗粒尺寸容易调控，因而是研究介观物理的良好材料体系。本项目拟在已有研究的基础上，制备具有不同金属体积分数、不同颗粒尺寸的系列非磁性纳米金属颗粒膜及超导-绝缘体颗粒膜，并制备相应的“金属颗粒膜/绝缘体/金属”隧道结，测量金属-绝缘体转变附近样品的电子输运性质和隧道谱。研究内容包括：(1) 研究非磁性纳米金属颗粒膜的霍尔迁移率在金属-绝缘体转变附近是否存在突变及其物理原因；(2) 实验研究金属颗粒间电子的库仑相互作用对电子能态密度及金属-绝缘体转变附近电导率和霍尔输运的影响；(3) 实验研究三维超导-绝缘体颗粒膜中是否存在一个超导-绝缘体转变的普适临界隧穿电阻，研究具有准重入超导现象样品的电子能态密度谱线随温度的变化规律，探求准重入超导现象的物理机理。

结合计划书，本项目对金属颗粒膜及相关薄膜的电输运性质进行了系统研究，主要研究内容和结果包括：(1) 研究了Ta掺杂SnO2二维颗粒膜的霍尔系数和电导率与温度的关系，发现在2-100 K温区电导率和霍尔系数均与温度的对数成线性关系，这源于金属颗粒间电子的库仑相互作用，而非传统均匀无序导体中的电子-电子相互作用，该结果从实验上证实了近期颗粒金属中电子-电子相互作用的理论预言；研究了三维Crx(SiO2)1-x金属颗粒膜在金属-绝缘体转变附近霍尔系数和电导率与温度的关系，发现在略大于逾渗阈值时，霍尔系数与lnT的依赖关系依然成立，且在特征温度T*以下，电子-电子相互作用对霍尔系数的修正为常数，该结果不仅在全温区验证了颗粒间电子-电子相互作用的理论结果，同时推广了其适用范围。(2) 通过对三维Pbx(SiO2)1-x颗粒膜电输运性质的系统研究，发现该体系在超导-绝缘体转变附近的耗散效应由热涨落引起的相位滑移和宏观量子隧道效应共同决定；在二维Tax(SiO2)1-x颗粒膜中发现了反常金属态，通过对反常金属态-绝缘态转变附近的磁电阻标度关系的系统研究，证实了这种反常金属态是一种玻色金属态，该结果为揭示反常金属态的物理本质、完善量子相变理论奠定了重要的科学基础。(3) 通过对几种不同金属颗粒膜在逾渗阈值附近霍尔系数及霍尔迁移率的仔细研究，发现逾渗阈值附近的巨霍尔效应和霍尔迁移率的突变同时出现，逾渗阈值附近霍尔系数的急剧增加和霍尔迁移率的突变是由局域量子干涉效应引起的，不能用玻尔兹曼输运理论解释。(4) 对其它一些相关体系的电输运性质作了系统研究，发现ZnMgO/ZnO异质结在室温下依然存在弱局域效应，发现石墨烯中电子-电子相互作用的强度与载流子浓度相关，发现FeSe超导薄膜中存在准二维涡旋玻璃态。本项目的研究结果为揭示金属颗粒膜中的新奇的量子输运现象奠定了重要的科学基础。