(ITO)x(SiO2)1-x纳米颗粒薄膜的电输运性质研究

摘要

纳米颗粒薄膜是由纳米尺度的金属颗粒镶嵌在绝缘体母体中构成的一类功能薄膜材料，由于颗粒的纳米结构导致其表现出许多奇特的物理性质，从而促使人们对其进行了大量的理论和实验研究。实验发现，颗粒薄膜在绝缘区的电导率与温度遵从σ∝exp[-(T0/T)1/2的关系，到目前为止虽然有一些理论模型来解释电导率的这一行为，但是对其内部的电子输运机制仍存在争议，因此有必要对绝缘区颗粒薄膜的电子输运机制进行系统和深入的研究。另外，对二维超导颗粒薄膜已经开展了很多研究，实验上发现二维超导颗粒体系，在正常态方块电阻R=h/4e2≈6.45kΩ处会发生超导转变，但是目前三维超导颗粒体系超导转变的发生还没有一个统一的判别标准，因此有必要对其出现超导转变的内部机制进行研究。Sn掺杂的 In2O3（ITO）不仅具有类金属的导电特性以及高的电导率，而且实验上发现氧空位较大的ITO会表现出超导特性，所以ITO与绝缘体构成的颗粒体系有望成为研究颗粒薄膜中电子跳跃输运特性以及三维超导颗粒薄膜中超导转变机制的良好体系。
　　本文采用射频磁控溅射法，首先在纯氩气和微量氧气的氛围中，在玻璃基底上制备了一系列不同ITO体积分数（0.668≤x≤1.000）的(ITO)x(SiO2)1-x颗粒薄膜。透射电子显微镜图像表明，(ITO)x(SiO2)1-x样品呈现出很好的纳米颗粒结构特性，纳米量级的ITO颗粒（团簇）随机地镶嵌在SiO2绝缘母体中。绝缘性样品中电子的传导以跳跃形式为主，在低温区（＜120 K），电导率与温度遵从σ∝exp[-(T0/T)1/2的关系，体系的电子输运机制符合跳跃传导模型，库仑充电能主导着颗粒间电子的输运过程；而在高温区（150-300 K），体系的电子输运机制符合热涨落诱导隧穿模型，热涨落电势主导着颗粒间电子的输运过程。在(ITO)x(SiO2)1-x颗粒薄膜中没有出现巨霍尔效应（GHE），这可能是由于体系中电子的退相干长度比较小。
　　此外，在纯氩气氛围中制备了另一系列不同ITO体积分数（0.329≤x≤1.000）的(ITO)x(SiO2)1-x颗粒薄膜，并对其超导转变特性进行了系统研究。结果发现，当ITO体积分数x≥0.579时，样品在低温区发生了超导转变，随着ITO体积分数的减小，样品的超导转变温度由6.28 K减小到3.14 K。对于x≤0.563的样品，超导特性消失了。由于在纯氩气氛围中制备的 ITO具有较多的氧空位，从而导致In或者Sn析出，超导转变源于In或者In-Sn合金。实验分析发现，颗粒薄膜中存在整体超导时，约瑟夫森耦合能分别大于库仑充电能和颗粒间隧穿耦合能。

目录

声明

第一章 前言

1.1 研究背景

1.2 绝缘性纳米颗粒薄膜的电子输运机制

1.3颗粒薄膜中的巨霍尔效应

1.4 超导颗粒薄膜

1.5 本论文的主要工作

第二章 样品制备与表征

2.1 (ITO)x(SiO2)1-x纳米颗粒膜的制备

2.2 样品表征方法

2.3 电学性质测量

第三章 (ITO)x(SiO2)1-x薄膜的微观结构和电子输运性质

3.1 ITO体积分数以及膜厚的确定

3.2 (ITO)x(SiO2)1-x颗粒膜的微观形貌分析

3.3 低温区(ITO)x(SiO2)1-x颗粒膜的电子输运机制

3.4 高温区(ITO)x(SiO2)1-x颗粒膜的电子输运机制

3.5 (ITO)x(SiO2)1-x颗粒薄膜的霍尔输运性质

3.6 本章小结

第四章 (ITO)x(SiO2)1-x颗粒膜中的超导特性

4.1 纯Ar气氛围中所制备样品的基本信息

4.2 样品电阻率与温度的关系

4.3 (ITO)x(SiO2)1-x纳米颗粒薄膜中的超导特性

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢