Pd纳米粒子点阵的电子输运特征与纳米粒子覆盖率的关系
纳米粒子阵列具有许多独特的电学、化学、磁学、光学、热学性质，如量子限制效应、表面等离激元共振(SPR)、库仑阻塞与隧道穿透等。这些特性不仅在基础理论上引起人们的广泛兴趣，在纳米电子和光子器件方面具有直接的应用，而且由于其尺寸、结构和环境高度灵敏的光、电、磁响应特征，在电磁辐射、磁场、温度、气体、生物分子传感领域亦引起人们高度的重视。
本文主要研究了Pd纳米粒子阵列与不同温度下的I-V特性。随着温度的降低，I-V特征曲线表现出越来越明显的非线性，满足Middleton-Wingreen(MW)模型所描述的标度律。处于量子传导态的Pd纳米粒子阵列在低温下以变程跳跃(VRH)为主要输运方式，而在高温下则是以热激活隧穿为主要输运形式。研究表明，在同一温度下，较低覆盖率的纳米粒子阵列具有较高的阈值电压。随着覆盖率的提高纳米粒子阵列经历了从1D到2D乃至3D的电子输运类型的转变。因此，通过控制纳米粒子的覆盖率，能够调控纳米粒子阵列的输运性质。 M000117
关键词：纳米粒子点阵，覆盖率，电子输运特性，变程跳跃(VRH)，隧道穿透，团簇束流沉积。
The relationship between electronic properties of Pd nanoparticles arrays and coverage of nanoparticles
Nanoparticle array has many unique electrical, chemical, magnetic, optical, thermal properties, such as quantum confinement effects, surface plasmon resonance (SPR), the Coulomb blockade and tunnel etc.. These characteristics are not only of interest in the basic theory, has direct applications in nanoscale electronic and photonic devices, but also because of its size, structure and environment of highly sensitive optical, electric, magnetic response characteristic, also caused people more and more attention in the electromagnetic radiation, magnetic field, temperature, gas, biological molecular sensing.
This paper mainly studied the I-V properties of Pd nanoparticle arrays with different temperatures. With the decrease of temperature, the I-V curves exhibit nonlinear increasingly apparent, meet Middleton-Wingreen (MW) scaling model described. In the Pd nanoparticle arrays of quantum conduction state at low temperature to variable range hopping (VRH) as the main transport mode, while at high temperature is a thermally activated tunneling is the main transport form. Research shows that, at the same temperature, the threshold voltage nanoparticle arrays low coverage with high. With the increase of nanoparticle arrays coverage has experienced the transition from 1D to 2D and 3D transport type. Therefore, through the control of nanoparticle coverage, can control the transport properties of nanoparticle array.
Key word: nanoparticle array,coverage,electronic properties,variable range hopping (VRH),quantum tunneling,cluster beam deposition.
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1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的及意义 1
1.3研究方法和研究内容 2
2 理论概述 3
2.1金属纳米粒子 3
2.1.1金属纳米粒子的制备方法 3
2.1.2金属纳米粒子的奇异特性 4
2.2金属纳米粒子点阵 5
2.2.1密集排列金属纳米粒子点阵(Close Spaced Coupled Metal Nanoparticle Arrays) 5
2.2.2密集排列金属纳米粒子点阵的典型制备方法 5
2.3金属纳米粒子点阵的金属-非金属转变 8
2.3.1金属纳米粒子的量子尺寸效应及金属-非金属转变 8
2.3.2金属纳米粒子阵列的金属-非金属转变 8
2.4库伦阻塞与量子隧穿 10
2.5金属纳米粒子阵列中的隧道穿透(tunneling) 10
2.6金属纳米粒子阵列中的渗流 12
3 研究设计 14
3.1 磁控等离子体气体聚集法团簇束流源 14
3.2 团簇束流沉积与实时测量系统 15
3.3 Pd纳米粒子密集点阵的制备 17
3.4叉指电极（Interdigital Electrode 简称IDE） 18
4 实验研究 19
4.1 Pd纳米粒子密集点阵的形貌 19
4.2阵列的电导随纳米粒子覆盖率的变化趋势 20
4.3 Pd纳米粒子阵列的I-V特征曲线 21
4.4 Pd纳米粒子阵列的I-V特征曲线分析 21
4.5结果分析 22
5 结论与展望 24
参考文献 25
致谢 26
2.1金属纳米粒子
金属纳米粒子体现出的许多奇异性质以及由此带来的潜在应用激发了人们对纳米科学与技术的兴趣。随着纳米科学与技术的发展，纳米材料的制备、表征、改性及应用等方面的研究取得了许多重要进展。其中，金属纳米材料的制备依然是纳米领域内重要的研究课题。
2.1.1金属纳米粒子的制备方法
金属纳米材料的制备经历了许多日新月异的变化，从最初的单质金属纳米材料的制备发展到了金属氧化物、合金、金属-有机体等复合纳米材料的制备。纵观金属纳米粒子的制备合成方法，基本可以将其分为物理方法和化学方法。由于篇幅的限制，这里仅对众多制备金属纳米粒子的方法中的几种典型方法进行介绍：
1．物理方法制备金属纳米粒子
?物理气相沉积
使用焦耳加热、激光辐照、电弧放电、等离子体轰击等方式在高真空环境中获得靶材金属的原子蒸汽，然后通过骤冷的方式使金属原子蒸汽经历冷凝成核生长过程，而制备出纳米粒子。这种方法能制备出高纯度、无表面污染的金属纳米粒子。
?机械粉碎法
采用球磨、超声波、超音速气流或水流等机械方式将脆性金属或合金直接加工成纳米粉体。这种方法简单，成本低廉，但是很难使纳米粒子的粒径小于100nm。尽管近些年来助磨剂的采用，使得采用球磨法可以得到粒径小于100nm的纳米粒子，但是所获得的纳米粒子的尺寸分布较宽，且无法对制造出的纳米粒子的几何形貌进行有效控制。
2．化学法制备金属纳米粒子
?溶胶凝胶法(Sol-Gel Process)
这种方法是利用金属醇盐经过水解反应形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到所需要的纳米粒子。这种方法过程简单易于控制、产物粒子均一、适合反应的物种较多。
?电化学法
在电场作用下，电解质中的金属离子在阴极被还原出来并沉积到阴极表面形成金属纳米粒子。这种方法形成的产物纯度较高，同时，在沉积过程中通过控制沉积电位、电流等条件，能够实现对纳米粒子尺寸及形貌的控制。
?氧化还原法
在金属盐溶液中进行氧化还原反应，将金属离子从溶液中还原出来形成纳米粒子。这个过程中，通常需要使用稳定剂来防止纳米粒子的聚集。这种方法一般使用多羟基化合物作为还原剂，Xia[24]等人曾利用这种方法成功合成出了立方体形状的银纳米粒子。
2.1.2金属纳米粒子的奇异特性 查看完整请+Q:351916072获取
本文主要研究了Pd纳米粒子阵列与不同温度下的I-V特性。随着温度的降低，I-V特征曲线表现出越来越明显的非线性，满足Middleton-Wingreen(MW)模型所描述的标度律。处于量子传导态的Pd纳米粒子阵列在低温下以变程跳跃(VRH)为主要输运方式，而在高温下则是以热激活隧穿为主要输运形式。研究表明，在同一温度下，较低覆盖率的纳米粒子阵列具有较高的阈值电压。随着覆盖率的提高纳米粒子阵列经历了从1D到2D乃至3D的电子输运类型的转变。因此，通过控制纳米粒子的覆盖率，能够调控纳米粒子阵列的输运性质。 M000117
关键词：纳米粒子点阵，覆盖率，电子输运特性，变程跳跃(VRH)，隧道穿透，团簇束流沉积。
The relationship between electronic properties of Pd nanoparticles arrays and coverage of nanoparticles
Nanoparticle array has many unique electrical, chemical, magnetic, optical, thermal properties, such as quantum confinement effects, surface plasmon resonance (SPR), the Coulomb blockade and tunnel etc.. These characteristics are not only of interest in the basic theory, has direct applications in nanoscale electronic and photonic devices, but also because of its size, structure and environment of highly sensitive optical, electric, magnetic response characteristic, also caused people more and more attention in the electromagnetic radiation, magnetic field, temperature, gas, biological molecular sensing.
This paper mainly studied the I-V properties of Pd nanoparticle arrays with different temperatures. With the decrease of temperature, the I-V curves exhibit nonlinear increasingly apparent, meet Middleton-Wingreen (MW) scaling model described. In the Pd nanoparticle arrays of quantum conduction state at low temperature to variable range hopping (VRH) as the main transport mode, while at high temperature is a thermally activated tunneling is the main transport form. Research shows that, at the same temperature, the threshold voltage nanoparticle arrays low coverage with high. With the increase of nanoparticle arrays coverage has experienced the transition from 1D to 2D and 3D transport type. Therefore, through the control of nanoparticle coverage, can control the transport properties of nanoparticle array.
Key word: nanoparticle array,coverage,electronic properties,variable range hopping (VRH),quantum tunneling,cluster beam deposition.
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1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的及意义 1
1.3研究方法和研究内容 2
2 理论概述 3
2.1金属纳米粒子 3
2.1.1金属纳米粒子的制备方法 3
2.1.2金属纳米粒子的奇异特性 4
2.2金属纳米粒子点阵 5
2.2.1密集排列金属纳米粒子点阵(Close Spaced Coupled Metal Nanoparticle Arrays) 5
2.2.2密集排列金属纳米粒子点阵的典型制备方法 5
2.3金属纳米粒子点阵的金属-非金属转变 8
2.3.1金属纳米粒子的量子尺寸效应及金属-非金属转变 8
2.3.2金属纳米粒子阵列的金属-非金属转变 8
2.4库伦阻塞与量子隧穿 10
2.5金属纳米粒子阵列中的隧道穿透(tunneling) 10
2.6金属纳米粒子阵列中的渗流 12
3 研究设计 14
3.1 磁控等离子体气体聚集法团簇束流源 14
3.2 团簇束流沉积与实时测量系统 15
3.3 Pd纳米粒子密集点阵的制备 17
3.4叉指电极（Interdigital Electrode 简称IDE） 18
4 实验研究 19
4.1 Pd纳米粒子密集点阵的形貌 19
4.2阵列的电导随纳米粒子覆盖率的变化趋势 20
4.3 Pd纳米粒子阵列的I-V特征曲线 21
4.4 Pd纳米粒子阵列的I-V特征曲线分析 21
4.5结果分析 22
5 结论与展望 24
参考文献 25
致谢 26
2.1金属纳米粒子
金属纳米粒子体现出的许多奇异性质以及由此带来的潜在应用激发了人们对纳米科学与技术的兴趣。随着纳米科学与技术的发展，纳米材料的制备、表征、改性及应用等方面的研究取得了许多重要进展。其中，金属纳米材料的制备依然是纳米领域内重要的研究课题。
2.1.1金属纳米粒子的制备方法
金属纳米材料的制备经历了许多日新月异的变化，从最初的单质金属纳米材料的制备发展到了金属氧化物、合金、金属-有机体等复合纳米材料的制备。纵观金属纳米粒子的制备合成方法，基本可以将其分为物理方法和化学方法。由于篇幅的限制，这里仅对众多制备金属纳米粒子的方法中的几种典型方法进行介绍：
1．物理方法制备金属纳米粒子
?物理气相沉积
使用焦耳加热、激光辐照、电弧放电、等离子体轰击等方式在高真空环境中获得靶材金属的原子蒸汽，然后通过骤冷的方式使金属原子蒸汽经历冷凝成核生长过程，而制备出纳米粒子。这种方法能制备出高纯度、无表面污染的金属纳米粒子。
?机械粉碎法
采用球磨、超声波、超音速气流或水流等机械方式将脆性金属或合金直接加工成纳米粉体。这种方法简单，成本低廉，但是很难使纳米粒子的粒径小于100nm。尽管近些年来助磨剂的采用，使得采用球磨法可以得到粒径小于100nm的纳米粒子，但是所获得的纳米粒子的尺寸分布较宽，且无法对制造出的纳米粒子的几何形貌进行有效控制。
2．化学法制备金属纳米粒子
?溶胶凝胶法(Sol-Gel Process)
这种方法是利用金属醇盐经过水解反应形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到所需要的纳米粒子。这种方法过程简单易于控制、产物粒子均一、适合反应的物种较多。
?电化学法
在电场作用下，电解质中的金属离子在阴极被还原出来并沉积到阴极表面形成金属纳米粒子。这种方法形成的产物纯度较高，同时，在沉积过程中通过控制沉积电位、电流等条件，能够实现对纳米粒子尺寸及形貌的控制。
?氧化还原法
在金属盐溶液中进行氧化还原反应，将金属离子从溶液中还原出来形成纳米粒子。这个过程中，通常需要使用稳定剂来防止纳米粒子的聚集。这种方法一般使用多羟基化合物作为还原剂，Xia[24]等人曾利用这种方法成功合成出了立方体形状的银纳米粒子。
2.1.2金属纳米粒子的奇异特性 查看完整请+Q:351916072获取
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