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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-63927
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6392/


Transport Phenomena in Thermoelectric and Ferromagnetic Nanostructures

Transport Phänomene in thermoelektrischen und ferromagnetischen Nanostrukturen

Kimling, Johannes

pdf-Format:
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Basisklassifikation: 33.75 , 33.28 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Nielsch, Kornelius (Prof. Dr.)
ISBN: 978-3-95404-519-8
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.06.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 07.10.2013
Kurzfassung auf Englisch: This thesis deals with transport phenomena in nanoscale systems:
The Seebeck effect is explored in Bi2Te2 nanowires, the anisotropic magnetothermal resistance effect in Ni nanowires, and the giant magnetothermal resistance effect in Co/Cu multilayers. Research on transport phenomena in a variety of materials has played a decisive role in the development of solid-state physics and has led to important applications of functional materials, e.g. for the conversion and storage of energy or in the field of storage and processing of data. We introduce a synthesis route for creating single-crystalline and nearly intrinsic Bi2Te3 nanowires. In the first step of the process, single-crystalline nanowires are formed with stoichiometries that deviate from the Bi2Te3 phase due to an increased Bi content. In the second step, the nanowires are transformed to the desired Bi2Te3 phase by annealing in a Te-rich atmosphere. We present measurements of the electrical resistance and the Seebeck coefficient on individual nanowires in the temperature range between 300 and 430 K. The results confirm the intrinsic behavior of the annealed nanowires in comparison to the metalic behavior of the as-grown nanowires. Before we deal with the magnetothermal effects, we introduce the 3ω method − a prevalent method for measuring thermal properties of bulk materials, thin films, and nanowires. We analyze this method for the case that the current source presupposed by the formalism of the method is replaced by a voltage source. By calculating the Fourier coefficients of the current and the measuring voltage, we demonstrate that a correction factor suggested in the literature is only required for direct 3ω measurements, but not for 3ω measurements after subtraction of the 1ω voltage, and also not for 1ω measurements. The theoretical results are confirmed by experiments. In addition to that, we present measurements of the electrical resistance, the thermal conductivity, and the Lorenz number on individual, electrochemically synthesized Ni nanowires under applied magnetic fields in the temperature range between 78 and 380 K. In analogy to the anisotropic magnetoresistance effect we introduce a simple theoretical model to describe the anisotropic magnetothermal resistance effect observed. We report on experimental results on this new effect that were achieved with the help of a slightly modified 3ω method. Finally, we analyze the Wiedemann-Franz law in magnetic multilayers. Among others, we demonstrate that the usual inference from violations of the Wiedemann-Franz law to inelastic scattering processes is not necessarily valid in the context of the magnetic-field dependence of electrical and thermal transport in magnetic multilayers. Vice versa, we demonstrate that a constant Lorenz number with respect to an applied magnetic field not necessarily excludes contributions from inelastic scattering processes to field-dependent transport properties. We present measurements of the giant magnetoresistance, the giant magnetothermal resistance, and the Lorenz number in Co/Cu multilayers in the temperature range between 10 and 300 K. The thermal measurements are again based on a modified 3ω method. We find that electron-magnon scattering is insignificant for the giant magnetoresistance and the giant magnetothermal resistance in the samples investigated. Furthermore, we conclude that electron-phonon scattering exhibits the same spin asymmetry as the predominant elastic scattering of electrons at the interfaces of the multilayer.
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit behandelt Transportphänomene in nanoskaligen Systemen: Der Seebeck effect wird in Bi2Te3-Nanodrähten untersucht, der anisotrope magnetothermische Widerstandseffekt in Ni-Nanodrähten und der riesenmagnetothermische Widerstandseffekt in Co/Cu- Multischichten. Die Erforschung von Transportphänomenen in unterschiedlichsten Materialien hat in der Vergangenheit wesentlich zur Entwicklung der Festkörperphysik beigetragen und führte zu wichtigen Anwendungen funktionaler Materialien, z.B. zur Umwandlung und Speicherung von Energie oder im Bereich der Speicherung und Verarbeitung von Daten. Wir stellen ein Syntheseverfahren zur Herstellung von einkristallinen und nahezu intrinsischen Bi2Te3 Nanodrähten vor. Im ersten Schritt des Verfahrens entstehen einkristalline Nanodrähte, deren Stoichiometrie aufgrund eines erhöhten Bi-Anteils von der Bi2Te3-Phase abweicht. Im zweiten Schritt werden die Nanodrähte durch Ausheizen in einer Te-reichen Atmosphäre in die gewünschte Bi2Te3-Phase überführt. Das intrinsische Verhalten wird durch Messungen des elektrischen Widerstands und des Seebeck-Koeffizienten an einzelnen Nanodrähten über einen Temperaturbereich von 300 bis 430 K nachgewiesen und mit dem metallischen Verhalten der unbehandelten Nanodrähte verglichen. Bevor wir die magnetothermischen Effekte behandeln, stellen wir die 3ω-Methode vor - eine vielfach verwendete Methode zur Messung der thermischen Eigenschaften von Bulkmaterialien, Dünnfilmen und Nanodrähten. Wir untersuchen diese Messmethode für den Fall, dass die im Formalismus der Methode vorausgesetzte Stromquelle des Versuchsaufbaus durch eine Spannungsquelle ersetzt wird. Durch Berechnung der Fourier-Koeffizienten des Stroms und der Messspannung zeigen wir, dass ein für diesen Fall in der Literatur vorgeschlagener Korrekturfaktor nur für direkte 3ω-Messungen benötigt wird, nicht aber für 3ω-Messungen nach Subtraktion der 1ω-Spannung, und auch nicht für 1ω-Messungen. Die theoretischen Ergebnisse werden durch Experimente bestätigt. Darüber hinaus präsentieren wir Messungen des elektrischen Widerstandes, der Wärmeleitfähigkeit und der Lorenz-Zahl an einzelnen, elektrochemisch hergestellten Ni-Nanodrähten unter dem Einfluss von Magnetfeldern, im Temperaturbereich zwischen 78 und 380 K. In Analogie zum anisotropen Magnetowiderstand stellen wir ein einfaches theoretisches Modell zur Beschreibung des anisotropen magnetothermischen Widerstandes vor, und berichten über experimentelle Ergebnisse zu diesem neuen Effekt, die wir mit Hilfe einer leicht modifizierten 3ω-Methode erzielt haben. Schließlich analysieren wir das Wiedemann-Franz-Gesetz in magnetischen Multischichten. Unter anderem zeigen wir, dass der in der Literatur üblicherweise vorgenommene Schluss von Verletzungen des Wiedemann-Franz-Gesetzes auf inelastische Streuprozesse im Falle des Magnetfeld-abhängigen elektrischen und thermischen Transports in magnetischen Multischichten nicht notwendigerweise Gültigkeit besitzt. Umgekehrt zeigen wir, dass eine magnetfeldunabhängige Lorenz Zahl nicht notwendigerweise Beiträge von inelastischen Streuprozessen zu magnetfeldabhängigen Transportgrößen ausschließt. In diesem Zusammenhang präsentieren wir Messungen des Riesenmagnetowiderstands, des riesenmagnetothermischen Widerstands und der Lorenz-Zahl in Co/Cu-Multischichten über einen Temperaturbereich von 10 bis 300 K. Die thermischen Messungen basieren ebenfalls auf einer Variante der 3ω Methode. Wir stellen fest, dass sich Elektron Magnon-Streuung in den untersuchten Proben nur unwesentlich auf den Riesenmagnetowiderstand und den riesenmagnetothermischen Widerstand auswirkt. Außerdem folgern wir, dass Elektron-Phonon Streuung die gleiche Spin-Asymmetrie aufweist wie der vorherrschende elastische Streuprozess von Elektronen an den Grenzflächen der Multischicht.

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