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非磁性金属颗粒薄膜的微观结构和电输运特性研究

作　者: 武雅楠
导　师: 李志青
学　校: 天津大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 巨霍尔效应逾渗阈值纳米颗粒薄膜退相干长度
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

经典逾渗理论在解释纳米颗粒系统巨霍尔效应等现象方面具有一定的局限性,这促进了量子逾渗理论的发展。Wan和Sheng等人在量子干涉作用模型基础上建立了一种量子逾渗理论,对逾渗系统在量子逾渗阈值附近的一些反常现象作出了解释。X. X. Zhang小组对Cu-SiO₂体系进行了研究,观察到巨霍尔效应,这与量子逾渗模型是相符的。但除此之外,相关的实验报道几乎没有。基于此原因,我们利用磁控溅射方法制备了Mo-SnO₂和Al-AlN非磁性金属颗粒薄膜,对其微观结构和电输运性质进行了系统分析,发现了巨霍尔效应,并讨论了微观结构对电输运性质的影响。微观结构分析表明,我们的薄膜都表现出很好的纳米颗粒结构,即纳米量级的金属颗粒分布于非晶状态的母体当中。随着金属体积分数的降低,两个体系的非金属性增强,并在Al-AlN体系发现了金属-绝缘体转变。对Mo-SnO₂体系来说,温度越低,电阻率随着金属体积分数的变化越明显。根据三维逾渗理论对电阻率的数据进行拟合,确定该体系的经典逾渗阈值在0.32附近,与三维键逾渗模型的理论值0.3117±0.0003非常接近。对Al-AlN体系,我们发现,在一定的温度区间,电导率与lnT成正比关系,与K. B. Efetpov的理论能够很好的符合。随着金属体积分数的减小,两个体系的霍尔系数逐渐增大。Mo-SnO₂体系,当体积分数减小至0.359时,霍尔系数达到最大值,最大值与最小值的比约800,增大了近3个数量级。1.55×10^-8 m ³/ C两个体系的磁电阻都为正值。Al-AlN体系的磁电阻随N2分压的增大而增大。Mo-SnO₂体系的磁电阻随金属体积分数的增大而增大。利用三维弱局域理论,并考虑自旋-轨道耦合以及Maki-Thompson超导涨落效应的贡献,对该体系的磁电阻数据进行分析,可以计算出退相干长度Lφ。当金属体积分数在量子逾渗阈值附近时（x=0.359）,样品内部存在的大量微结构的尺寸约0.7³ nm,远小于此时的Lφ。这时颗粒之间的局域量子干涉作用对系统的电输运性质起着重要作用,就会发生量子霍尔效应,因此我们的实验结果为P. Sheng的量子逾渗理论的合理性提供了实验证据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-24
  1.1 引言  8-9
  1.2 逾渗模型  9-13
    1.2.1 经典逾渗理论  10-11
    1.2.2 逾渗阈值的确定  11-13
  1.3 巨霍尔效应  13-20
    1.3.1 磁性材料的巨霍尔效应  14-15
    1.3.2 反常霍尔效应的标度理论  15-16
    1.3.3 母体为 Ge 颗粒系统的霍尔现象  16-17
    1.3.4 颗粒尺寸对巨霍尔效应的影响  17-18
    1.3.5 非磁性材料的巨霍尔效应  18-20
  1.4 量子逾渗理论  20-22
    1.4.1 量子逾渗模型  20-22
    1.4.2 霍尔电阻率理论  22
  1.5 本论文的主要工作  22-24
第二章样品的制备与表征  24-32
  2.1 样品的制备  24-27
    2.1.1 射频磁控溅射系统基本原理  24-25
    2.1.2 靶材的制备过程  25-26
    2.1.3 薄膜的溅射条件  26-27
  2.2 样品的微观结构表征  27-29
    2.2.1 高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)  27-28
    2.2.2 选区电子衍射(SAED)  28-29
    2.2.3 X 射线光电子能谱(XPS)  29
  2.3 电输运性质测量  29-32
第三章 Mo-Sn0_2 的微观结构和电输运性质研究  32-50
  3.1 金属体积分数的确定  32-34
  3.2 Mo-SnO_2 的微观结构表征  34-38
    3.2.1 HRTEM 分析结果及讨论  34-36
    3.2.2 SAED 分析结果及讨论  36
    3.2.3 XPS 分析结果及讨论  36-38
  3.3 Mo-SnO_2 的电输运性质  38-48
    3.3.1 电阻率的测试结果及分析  38-40
    3.3.2 x_c 的确定  40-41
    3.3.3 霍尔效应的测试结果及分析  41-43
    3.3.4 磁电阻的测试结果及分析  43-46
    3.3.5 实验结果的分析及讨论  46-48
  3.4 本章小结  48-50
第四章 Al-AlN 的微观结构和电输运性质研究  50-59
  4.1 Al-AlN 的微观结构表征  50-53
    4.1.1 HRTEM 分析结果及讨论  50-51
    4.1.2 SAED 分析结果及讨论  51-53
  4.2 Al-AlN 的电输运性质  53-57
    4.2.1 电阻率的测量结果及分析  53-55
    4.2.2 磁电阻的测量结果及分析  55-56
    4.2.3 霍尔效应的测量结果及分析  56-57
  4.3 本章小结  57-59
第五章结论  59-61
参考文献  61-67
硕士在读期间已发表和已完成的论文  67-68
致谢  68

非磁性金属颗粒薄膜的微观结构和电输运特性研究

内容摘要

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