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Elektrischer und thermoelektrischer Transport in den Metalloxiden ß-Ga2O3 und ZnGa2O4

Boy, Johannes 27 August 2021 (has links)
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften zwischen T<50 K und Raumtemperatur mittels elektrischer Transportmessungen. Für ZnGa2O4 werden zusätzlich die thermischen Eigenschaften untersucht. Für die Herstellung von elektrischen Bauelementen in der Halbleiterindustrie sind dünne epitaktische Schichten von besonderem Interesse und werden daher hier für ß−Ga2O3 systematisch studiert. Dabei wird zwischen Schichtdicken von d = 25 bis 225 nm unterschieden und die Resultate mit Volumenkristallen verglichen. Für ZnGa2O4 werden erste Untersuchungen an Einkristallen durchgeführt. Für diese Arbeit wird eine neue Messplattform entwickelt, um die elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften charakterisieren zu können. Die Probenprozessierung wird mittels optischer Lithographie, Magnetron-Sputtern und Lift-Off umgesetzt. Für ß−Ga2O3 wird untersucht, welchen Einfluss das Wachstum und die Schichtdicke auf die elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften hat. Durch nicht perfektes Wachstum der Kristalle entstehen zweidimensionale Gitterfehler wodurch die Beweglichkeit ab und der Betrag des Seebeck-Koeffizienten zunimmt. Zusätzlich ist das Wachstum schichtdickenabhängig. Dünne Schichten weisen mehr null- und zweidimensionale Defekte auf, was zu einer Abnahme der Beweglichkeit führt. Durch das Studium der Streuprozesse im ß−Ga2O3 wird eine Aufteilung des Seebeck- Koeffizienten in den thermodiffusiven und Phonon-Drag-Anteil durchgeführt. Für dünne Schichten (d<100 nm) nimmt der Phonon-Drag-Parameter bei T<150 K mit abnehmender Schichtdicke um eine Größenordnung zu, was für eine Zunahme der Phonon-Phonon- zu Elektron-Phonon-Streuzeit spricht. Erste Messungen an ZnGa2O4-Volumenmaterial zeigen, dass es sich um einen entarteten Halbleiter handelt. Der Seebeck-Koeffizient zeigt ebenfalls den Phonon-Drag-Effekt mit einem Maximum bei 60 K. Die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur ist lambda=(22.9 ± 0.2) W/mK. / This work focuses on the characterization of the electric and thermoelectric transport properties between T<50 K and room temperature using electrical transport measurements. Furthermore the thermal transport properties of ZnGa2O4 are investigated. For the manufacturing of electrical devices in the semiconductor industry thin epitaxial films are of interest, hence they are studied extensively here for ß-Ga2O3. The film thicknesses are varied between d = 25 and 225 nm and their properties are compared to those of bulk material. For ZnGa2O4 first investigations are carried out on bulk material. For this work, a novel measurement platform is developed to perform the electric and thermoelectric characterization. The processing of the samples includes photolithography, magnetron sputtering and lift-off. The influence of the growth and film thickness of ß−Ga2O3 on the electric and thermoelectric properties is studied. Due to non-perfect growth of the crystals twodimensional defects are formed, which decrease the mobility and increase the absolute value of the Seebeck-coefficient. Additionally the growth depends on the film thickness. Very thin films exhibit more zero- and twodimensional defects, which decrease the mobility. The knowledge of the scattering mechanisms in ß−Ga2O3 allow a splitting of the Seebeck coefficient into the thermodiffusive and Phonon-Drag-part. For thin films (d<100 nm) and T<150 K the Phonon-Drag-parameter increases by an order of magnitude, which is explained by an increase of phonon-phonon- to electron-phonon-scattering times. First measurements of ZnGa2O4-bulk material show, that it is a degenerate semiconductor. The Seebeck-coefficient shows the Phonon-Drag-effect as well, with a maximum at 60 K. The thermal conductivity at room temperature is lambda= (22.9 ± 0.2) W/mK.
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Thermoelektrische Transportuntersuchungen an topologischen und korrelierten Elektronensystemen

Wuttke, Christoph 03 February 2021 (has links)
In dieser Arbeit werden Messungen elektrischer, thermischer und insbesondere thermoelektrischer Transportkoeffizienten in topologischen Weyl-Halbmetall-Kandidaten sowie in eisenbasierten Hochtemperatur-Supraleitern vorgestellt, analysiert und diskutiert. In TaAs und TaP, zwei Weyl-Halbmetall-Kandidaten mit gebrochener Inversionssymmetrie, liefert das anomale Verhalten des Nernst-Signals in Abhängigkeit des Magnetfeldes Hinweise auf die Existenz von Weyl-Punkten in der Nähe der Fermi-Fläche, wobei sich die Verschiebung des chemischen Potenzials sowie ein Lifshitz-Übergang detektieren lassen. Die Temperaturabhängigkeit des Nernst-Signales erlaubt außerdem Rückschlüsse auf den Abstand der Weyl-Punkte zur Fermi-Fläche. In Mn3Ge, einem Weyl-Halbmetall-Kandidaten mit gebrochener Zeitumkehrsymmetrie, zeigt sich für alle gemessenen Temperaturen ein komplett anomales Verhalten des Nernst-Signals in Abhängigkeit des Magnetfeldes mit einer rechteckigen Hysterese bei kleinen Feldern, welches im Vergleich mit Daten der Magnetisierung einen eindeutigen Hinweis auf die Präsenz von Weyl-Punkten in diesem Material liefert. Mithilfe eines minimalen theoretischen Modells zweier Weyl-Punkte in der Nähe der Fermi-Fläche lässt sich eine Anpassungsformel für die Temperaturabhängigkeit des Nernst-Signals gewinnen, aus welcher sowohl geometrische Parameter der Bandstruktur als auch die Stärke der Berry-Krümmung an der Fermi-Energie extrahiert werden können. Für eisenbasierte Supraleiter besteht seit Langem der Verdacht, dass nematische Fluktuationen einen Einfluss auf die Supraleitung haben. Hier vorgestellte theoretische Betrachtungen zeigen im Rahmen eines Zweibandmodells eindeutig, dass eine endliche nematische Kopplung zu einer starken Erhöhung und einer nicht-monotonen Abhängigkeit des Nernst-Koeffizienten von der Dotierung führt, welcher ein Maximum über dem supraleitenden Dom aufweist. Dies wird anhand von Nernst-Messungen in Co-dotiertem LaFeAsO bestätigt. Ein Vergleich der Ergebnisse des Nernst-Effekts mit Elasto-Widerstandsmessungen enthüllt eine erstaunliche Ähnlichkeit der Dotierabhängigkeiten. Die Daten werden außerdem mit Messungen des Nernst-Effekts an Rh-dotiertem BaFe2As2 verglichen, wobei ebenfalls eine Erhöhung im Bereich optimaler Dotierung nachgewiesen werden kann. In Rh-dotietem BaFe2As2 zeigt sich jedoch ein Unterschied zwischen Elasto-Widerstands- und Nernst-Messungen, woraus abgeleitet wird, dass Elasto-Widerstandsmessungen kein vollständiges Bild der nematischen Fluktuation liefern. Der Nernst-Effekt ist hingegen aufgrund der Sensitivität auf nematische Fluktuationen universell in zwei Vertretern verschiedener Familien eisenbasierter Supraleiter maximal im Bereich des supraleitenden Doms. Dies liefert, zusammen mit den theoretischen Betrachtungen, einen starken Hinweis auf den Einfluss nematischer Fluktuationen auf die Supraleitung. / In this work the electric, thermal, and thermoelectric transport properties of several topological Weyl semimetal candidates and iron-based superconductors are investigated. In TaAs and TaP, two Weyl semimetal candidates with broken inversion symmetry, the Nernst signal exhibits anomalous behaviour as a function of magnetic field, consistent with Weyl points close to the Fermi surface. Furthermore, a shift of the chemical potential and a Lifshitz transition are detected. The temperature dependence of the Nernst signal allows for an estimation of the energy of the Weyl points with respect to the Fermi level. In Mn3Ge, a Weyl semimetal candidate with broken time reversal symmetry, the Nernst signal shows completely anomalous behaviour as a function of magnetic field that can be obtained at all measured temperatures. At low fields the signal exhibits a rectangular hysteresis cycle. A comparison with magnetization measurements evidently shows that these effects are caused by Weyl points lying close to the Fermi surface. With the help of a minimal model of two Weyl points in the vicinity of the Fermi level, a fitting formula of the temperature dependence of the Nernst signal can be obtained. The fit provides geometrical properties of the band structure, such as the $\boldsymbol{k}$-space separation of the Weyl points, their energy with respect to the Fermi level as well as the strength of the Berry curvature close to the Fermi energy. For a long time nematic fluctuations have been suspected to influence superconductivity in iron-based superconductors. A theoretical analysis, with the help of a two-band model, shows clearly that a finite nematic coupling causes a strong enhancement and non-monotonic behaviour of the Nernst coefficient, which develops a maximum above the superconducting dome. These findings are confirmed by Nernst measurements in Co-doped LaFeAsO. A comparison with elasto-resistivity measurements shows a stunning similarity of the doping dependencies of both quantities. Furthermore the data are compared with measurements on Rh-doped BaFe2As2, which also exhibits an enhancement of the Nernst coefficient in the region of optimal doping. However, in Rh-doped BaFe2As2 a difference between elastoresistivity and Nernst measurements is obtained, indicating that the elasto-resistivity measurements are not universally sensitive to nematic fluctuations. The Nernst effect, on the other hand, is enhanced in the vicinity of the superconducting dome in two members of different families of iron-based superconductors. Together with theoretical insights, these results provide strong evidence for the influence of nematic fluctuations on superconductivity in the iron-based superconductors.

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