Eindimensionaler Transport in zylindrischen Bi2Te3-basierten Nanostäben

Abstract

In dieser Arbeit wurden die Transportmechanismen in zylindrischen Bi2Te3-basierten Nanodrähten, die als Thermoelektrika und topologische Isolatoren bekannt sind, analysiert. Es wurde erstmals die Ausbildung von eindimensionalen Randkanälen auf der zylindrisch gekrümmten Nanodrahtoberfläche in externen Magnetfeldern beobachtet. Hierfür wurden zylindrische (BixSb1-x)2Te3 und Bi2(TexSe1-x)3 Nanostäbe mit verschiedenen Durchmessern mit einem optimierten elektrochemischen Abscheideprozess in nanoporösen Aluminiumoxidtemplaten hergestellt. Struktur und chemische Zusammensetzung der Nanostäbe wurden mit Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht. An einzelnen Nanostäben wurden lithographisch elektrische Kontakte definiert und elektrische Transportmessungen durchgeführt. Die Nanostäbe weisen hohe elektrische Leitfähigkeiten auf, die mit steigender Temperatur sinken, und haben geringere Seebeck Koeffizienten als Volumenmaterialien. Nach Tempern in Helium- und Telluratmosphäre, das eine Optimierung der Zusammensetzung und Struktur der Materialien bewirkt, weisen die Nanodrähte zum Volumenmaterial vergleichbare Powerfaktoren auf. Des Weiteren zeigt eine durchmesserabhängige Studie, dass die elektrischen Leitfähigkeiten der Nanodrähte für kleiner werdende Durchmesser größer werden, was zusammen mit dem metallischen Temperaturverhalten auf metallähnliche Oberflächenzustände hindeutet. Um die Transportmechanismen genauer zu untersuchen, werden Magnetowiderstandsmessungen bei tiefen Temperaturen durchgeführt. In einer Konfiguration mit Magnetfeldern parallel zur Nanostabachse werden Aharonov-Bohm Oszillationen beobachtet, die auf topologische Oberflächenzustände hindeuten. In Messungen mit einem Magnetfeld senkrecht zur Nanostabachse werden Oszillationen beobachtet, die nicht mit Oberflächen- oder Volumenzuständen erklärt werden können. Diese resultieren aus der Projektion des externen Magnetfeldes auf die zylindrische Oberfläche der Nanodrähte, was die Formation von eindimensionalen Randkanälen an den Seiten des Nanostabs in hohen Magnetfeldern von einigen Tesla bewirkt. Mit einem Modell für Dirac Elektronen auf einer gekrümmten Oberfläche in einem transversalen Magnetfeld kann dieses Verhalten qualitativ und quantitativ sehr gut beschrieben werden.

In this thesis transport mechanisms in cylindrical Bi2Te3-based nanowires, which are known to be thermoelectric materials as well as topological insulators, were analyzed. The formation of one-dimensional edge channels on the cylindrically curved surface in external magnetic fields was observed for the first time. Cylindrical (BixSb1-x)2Te3 and Bi2(TexSe1-x)3 nanowires with different diameters were synthesized using an optimized electrochemical deposition method in nanoporous alumina templates. The crystal structure and chemical composition of the nanowires were studied using scanning and transmission electron microscopy and energy dispersive X-Ray spectroscopy. Electrical contacts were applied to single nanowires and electrical transport measurements were conducted. The nanowires exhibit high electrical conductivities that decrease with increasing temperature as well as low Seebeck coefficients compared to bulk materials. After annealing in helium and tellurium atmosphere power factors in the range of bulk materials are observed due to an optimization of the chemical composition and crystal structure. In addition, a diameter-dependent study shows increasing electrical conductivities for decreasing nanowire diameters. This fact and the metallic temperature-dependence of the electrical conductivities are first indications for the existence of metal-like surface states. To gain more information about the transport mechanisms, magnetoresistance measurements at low temperatures were performed. In a configuration with the magnetic field parallel to the nanowire axis, Aharonov-Bohm oscillations are observed, indicating two-dimensional topological surface states. In a perpendicular field configuration, magnetoresistance oscillations are observed that cannot be explained by two-dimensional surface or three-dimensional bulk states. These oscillations result from the projection of the external magnetic field on the cylindrical surface of the nanowires, leading to the formation of one-dimensional transport channels at the edges of the nanowire in high magnetic fields of several Tesla. Using a model for Dirac electrons on a curved surface in transverse magnetic fields, this behavior can be well explained qualitatively and quantitatively.