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Magnetowiderstandseffekte in Silberselenid-Schichten

Gruhl, Friederike


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Magnetowiderstand , Silberselenid
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Angewandte Physik
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.06.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 22.06.2004
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Hochfeld-Meßsystem aufgebaut, in dem
MR-Messungen an Silberselenid-Schichten durchgeführt wurden. Generell gilt, daß sich in den hier untersuchten Schichten eine durchaus große
Abweichung von der Stöchiometrie findet (Ag2+Se,  > 10-2 – für Bulk-Proben dieser
Konzentration findet Beck einen großen positiven MR-Effekt, der dem OMR ähnelt,
aber wegen seines großen linearen Anteils nicht mehr exakt mit dem Zwei-Band-Modell
beschrieben werden kann), die aber nicht zu kettenförmigen Ausscheidungen wie in den
Bulk-Proben führt. Nicht zuletzt war die schwankende Silberkonzentration in den
Schichten ein limitierender Faktor hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Proben, da es
nicht möglich war, Schichten mit gezielt vorgegebenem Silberüber- oder -unterschuß
herzustellen.
Zunächst wurden Messungen an Silberselenid-Schichten, die durch thermisches
Verdampfen hergestellt wurden, durchgeführt. Da Selen in diesem Prozeß deutlich
schneller verdampft als Silber, erhielt man auf diese Weise Proben sehr
unterschiedlicher Zusammensetzung, was das ausführliche Studium der Abhängigkeit
des Magnetowiderstands von der Silberkonzentration erlaubte. Hier zeigte sich, daß in
leicht unter-/ überstöchiometrischen Schichten die von Xu et al. gefundenen Effekte
nicht reproduziert werden konnten: Zum einen erreicht der Magnetowiderstand nicht die
in [5] beobachteten hohen Werte, zum anderen tritt in den hier durchgeführten
Meßreihen kein ausschließlich linearer MR-Effekt auf, sondern für Felder bis zu
wenigen Tesla findet man wie andere Arbeitsgruppen auch [11 – 14] stets ein
quadratisches MR-Verhalten. Darüber hinaus zeigte sich, daß der Probenwiderstand
nicht nur von B sondern auch von der Temperatur abhängt. Insbesondere weisen
silberreiche Schichten einen auf Phononen-Streuung basierenden linearen Anstieg des
Widerstandes mit der Temperatur auf. In Schichten mit geringem Silberüberschuß
beobachtet man dagegen einen Metall-Halbleiter-Übergang bei einer Erhöhung der
Temperatur. Nichtsdestotrotz konnten die von Abrikosov bzgl. des QMR hergeleiteten
Abhängigkeiten quantifiziert werden: Für eine verschwindende Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes findet man ein bei immer niedrigeren Feldwerten beginnendes lineares
MR-Verhalten der Silberselenid-Schichten. Bzgl. der beobachteten starken Streuung im
Magnetowiderstand der Schichten konnte gezeigt werden, daß diese nicht alleine auf die
schwankende Silberkonzentration zurückzuführen ist, sondern auch auf die doch sehr
unterschiedliche Struktur der Schichten. Insbesondere die variierende Kornstruktur der
Schichten, die aufgrund der verschiedenen Oberflächen zu unterschiedlichen
Silberausscheidungen führt, hat einen entscheidenden Einfluß auf die Änderung des
elektrischen Widerstands im Magnetfeld.
Abschließend wurden PLD-Proben untersucht. Hier handelte es sich um sehr dichte
Schichten mit einer Silberkonzentration am Rande des Phasengebietes. An diesen
Proben wurde der Einfluß des Size-Effektes auf den Magnetowiderstand untersucht.
Trotz einer starken Streuung des spezifischen Widerstandes aufgrund der
unterschiedlichen Mikrostruktur und Silberkonzentration findet man in diesen Proben
eine relativ gute Übereinstimmung mit dem klassischen Size-Effekt. Dies gilt
insbesondere nach einer Korrektur der Meßwerte bzgl. der Silberkonzentration.
Hierdurch konnte die Streuung um die anhand von Literaturdaten berechnete Kurve
deutlich reduziert, wenn auch nicht vollständig eliminiert werden. Aus diesen Daten und
der klassischen Size-Effekt-Theorie kann nun die mittlere freie Weglänge in den
Silberselenid-Schichten zu 140 nm ermittelt werden, was in derselben Größenordnung
wie die in der Literatur angegebene liegt (Damodara Das: l = 128 nm, [25]). Die nach
wie vor vorhandene Streuung der Widerstandswerte ist auch hier wieder auf eine
unterschiedliche Mikrostruktur der Proben zurückzuführen.
In Analogie zu den durch thermisches Verdampfen hergestellten Schichten findet man
ein mit der Literatur übereinstimmendes R(T)-Verhalten. Wieder beobachtet man den
bereits beschriebenen Metall-Halbleiter-Übergang bei TC. Die Übergangstemperatur
hängt hier allerdings nicht nur von der Silberkonzentration sondern auch von der
Schichtdicke ab. Dazu wurden zwei Deutungsmöglichkeit aufgezeigt, von denen die
Annahme einer kleiner werdenden Bandlücke mit abnehmender Schichtdicke nach
Damodara Das [66] wahrscheinlicher ist, da eine Verschiebung der
Übergangstemperatur aufgrund einer höheren Silberkonzentration in den Schichten auch
eine Abnahme des spezifischen Widerstandes der Proben beinhalten müßte, während in
den hier durchgeführten Messungen eine Erhöhung des Widerstandes mit geringer
werdender Schichtdicke gefunden wurde.
Das MR-Verhalten der PLD-Schichten entspricht dem in den bis dahin untersuchten
Verdampfungs-Proben. Überdies beobachtet man hier mit zunehmender Schichtdicke
einen starken Anstieg des MR-Effektes: Während der MR-Effekt für dünne Schichten
(d < 100 nm) bei etwa 10 % liegt, findet man für Schichten mit d > 1µm durchaus Werte
von über 100 %, d.h. der MR-Effekt nähert sich hier langsam dem in Bulk-Proben
gemessenen (Xu: 370 % bei 5,5 T und 4,5 K, Beck: 200 % bei 8 T und 2 K). Dennoch
kann die beobachtete Abhängigkeit nicht mit der klassischen Theorie des Magneto-Size-
Effektes erklärt werden: Obwohl die Proben einen Zyklotronradius von rC = 17 nm
haben, d.h. ein angelegtes Magnetfeld sollte, da rC  d bzw. rC  d in sehr dünnen
Schichten, den Einfluß des Size-Effektes auf den spezifischen Widerstand vollständig
aufheben, passiert dies definitiv nicht.
In sehr dünnen Schichten (d < 20 nm) unterscheidet sich das MR-Verhalten signifikant
von dem bisher beobachteten: Statt des positiven MR-Effektes zeigen diese Proben
einen mit steigender Temperatur zunehmend negativeren Magnetowiderstand. Dabei
kann, wie Verkippungs-Messungen belegen, ausgeschlossen werden, daß es sich hier um
Anisotropie-Effekte handelt. Dieses MR-Verhalten wie auch der in Schichten mit
d < 0 = 140 nm bei 4,2 K beobachtete 'low-field'-MR-Effekt lassen sich klassisch
nicht mehr erklären. In einem ersten Erklärungsversuch wurde deshalb zur Beschreibung
dieser Phänomene der Einfluß der schwachen Lokalisierung auf den elektrischen
Widerstand in dünnen Schichten diskutiert. Dies führte zu der Schlußfolgerung, daß
diese durchaus für die hier beobachteten Effekte verantwortlich sein kann.