Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die thermoelektrischen Eigenschaften von Te-basierten V-VI Nanodrähten, darunter Bi2Te3, Sb2Te3 und ternäre (Bi1-xSbx)2Te3 Nanodrähte, untersucht. Die Nanodrähte wurden mittels Vapor-Liquid-Solid Methode hergestellt und anhand unterschiedlicher Arten von Elektronenmikroskopie sowie elektrischen Transportmessungen untersucht. Ein bemerkenswerter Einfluss der Nanodrahtoberfläche auf die gesamten thermoelektrischen Eigenschaften wird beobachtet, der einerseits durch strukturelle Oberflächenmodifikationen und andererseits durch topologische Oberflächenzustände verursacht wird. Optimierte Nanodrähte mit nahezu intrinsischen chemischen Zusammensetzungen wurden verwendet, um die topologischen Oberflächenzustände anhand von Magnetotransportmessungen bei tiefen Temperaturen zu untersuchen. Magnetowiderstandseffekte, wie zum Beispiel Aharonov-Bohm-Oszillationen, schwache Antilokalisierung und Shubnikov-de Haas-Oszillationen, deuten auf die Anwesenheit von topologischen Oberflächenzuständen hin. Desweiteren wurde die Dirac-artige Dispersionsrelation der Oberflächenzustände aus Gate-Spannungsabhängigen Messungen der Shubnikov-de Haas-Oszillationen an einzelnen Nanodrähten extrahiert. Der Einfluss von topologischen Oberflächenzuständen auf die thermoelektrischen Eigenschaften wurde durch Variation der Sb-Konzentration in (Bi1-xSbx)2Te3 Nanodrähten untersucht. Die experimentellen Ergebnisse sind in hervorragender Übereinstimmung mit einem Transportmodell, das die Oberfläche und den Bulkanteil der Nanodrähte als zwei parallele, nicht miteinander wechselwirkende Transportkanäle betrachtet und auf einen signifikanten Anteil von topologischen Oberflächenzuständen an den thermoelektrischen Eigenschaften über den gesamten Sb-Konzentrationsbereich deutet. Darüber hinaus werden Modellberechnungen für Bi2Te3, Sb2Te3 und Bi2Se3 Dünnfilme präsentiert, die die thermoelektrischen Eigenschaften im Bereich von unter 10 nm analysiert, in dem Quanten-Confinement des Bulkanteils und Hybridisierung der Oberflächenzustände wirksam werden.
In this thesis the thermoelectric properties of Te-based V-VI nanowires, including Bi2Te3, Sb2Te3, and ternary (Bi1-xSbx)2Te3 nanowires, are investigated. The nanowires were grown via the vapor liquid solid method and analyzed on the basis of different types of electron microscopy, as well as by electrical transport measurements. A remarkable influence of the nanowire surface on the overall thermoelectric properties is observed, which is caused by structural surface modifications on the one hand, and topological surface states on the other hand. Optimized nanowires with nearly intrinsic chemical compositions were used for the investigation of topological surface states via magnetotransport measurements at low temperatures. Magnetoresistance effects, such as Aharonov-Bohm oscillations, weak antilocalization, and Shubnikov-de Haas oscillations, indicate the presence of topological surface states. Furthermore, the relativistic Dirac-type dispersion relation of the surface states was extracted from gate voltage-dependent measurements of the Shubnikov-de Haas oscillations on individual nanowires. The influence of topological surface states on the thermoelectric properties was studied by varying the concentration of Sb in (Bi1-xSbx)2Te3 nanowires. The experimental findings are in excellent agreement with a transport model that considers the surface and the bulk of the nanowires as two parallel non-interacting transport channels, indicating a significant contribution of topological surface states to the ther-moelectric properties over the entire Sb concentration range. In addition, model calculations for Bi2Te3, Sb2Te3, and Bi2Se3 thin films are presented, which analyze the thermoelectric performance in the sub-10 nm regime, in which quantum confinement of the bulk and hybridization of the surface states take effect.