Kurzfassung
In dieser Arbeit werden theoretische und experimentelle Untersuchungen des Ladungstransports in Nanodrähten unter dem Einfluss elektrischer Felder präsentiert. Nach einer allgemeinen Einführung, wird im zweiten Kapitel eine Nanodraht-Feldeffekttransistor (NFET) Struktur zur Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration und Mobilität von ternären Chalkogeniden genutzt. Die Ergebnisse dienen der Charakterisierung dieser Materialien sowie der Unterstützung zur Interpretation von Transportexperimenten. Das NFET Modell wird im Laufe der Arbeit für InAs Nanodrähte angewandt.
Im dritten Kapitel der Arbeit wird die lineare Dispersionsrelation (Dirac-Kegel) auf der Oberfläche eines Bi2Te3 Nanodrahts über eine Kombination aus Feldeffekt- und Magneto-Widerstandsmessungen validiert. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die experimentell bestimmte Ladungsträgerkonzentration, Mobilität und Zyklotronmasse dieser Oberflächenzustände in Übereinstimmung mit relativistischen Modellen sind.
Das vierte Kapitel der Arbeit beschäftigt sich mit der thermoelektrischen Leistung und Effizienz solcher NFETs. Die thermoelektrische Gütezahl ZT von Nanodrähten aus den topologischen Isolatoren Bi2Te3, Sb2Te3 und Bi2Se wird als Funktion des Drahtdurchmessers und des Fermi Levels berechnet. Für alle untersuchten Systeme bewirkt das Gegenspiel von Oberflächenzuständen und Volumenkanal eine signifikante Änderung der thermoelektrischen Transportkoeffizienten, wenn der Drahtdurchmesser bis in den sub-10 µm Bereich reduziert wird. Dies hat zur Folge, dass die maximale Effizienz dieser Drähte, und damit ihre potentielle Anwendung in effizienten thermoelektrischen Generatoren, limitiert ist. Im selben Kapitel der Arbeit wird jedoch experimentell gezeigt, dass die thermoelektrische Leistung von ungleichförmigen InAs-NFETs als Folge von Quantenpunkt-Zuständen, im Vergleich zu Bulk-Leistungen, wesentlich verbessert werden kann.
Das fünfte Kapitel dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem elektrisch getriebenen Phasenübergang unterhalb der Verwey-Temperatur TV in Magnetit (Fe3O4) Nanodrähten, welcher mittels Feld-Effekt-Messungen sowie durch eine Kombination aus gepulster Anregungsspannung und Wechselstrommessungen untersucht wird. Es wird gezeigt, dass hohe elektrische Felder den Zusammenbruch des isolierenden Gleichgewichtszustands von Magnetit unterhalb der Verwey Temperatur in eine hochleitende Phase einleiten und dass die Rückkehr in den isolierenden Zustand durch korrelierten Hopping-Transport in einem thermisch aktivierten Relaxationsprozess stattfindet
In this thesis charge transport in single nanowires under the influence of electric fields is investigated. Subsequent to a general introduction in chapter I, the concept of nanowire field-effect transistor (NFET) devices is introduced in chapter II. The devices are used to extract the charge carrier concentration and mobility of ternary chalcogenide nanowires, which contribute to the interpretation of transport experiments. In the course of this work the NFET characterization method is adopted for InAs nanowires. In chapter III the linear dispersion relation (Dirac cone) on the surface of a single Bi2Te3 nanowire is validated via a combination of field-effect and magnetoresistance measurements. Moreover, it is shown that the determined carrier concentration, mobility and cyclotron mass of these surface states are in agreement with relativistic models. Subsequently, the thermoelectric performance of such NFETs is studied in chapter IV. The thermoelectric figure of merit ZT of topological insulator nanowires based on Bi2Te3, Sb2Te3 and Bi2Se3 is calculated as a function of diameter and Fermi level position. For all investigated systems the competition between surface states and bulk channel causes a significant modification of the thermoelectric transport coefficients when the diameter is reduced to the sub-10 µm range. This limits the maximum thermoelectric performance of topological insulator nanowires and thus their application in efficient thermoelectric devices. However, it is experimentally demonstrated that the thermoelectric power factor in InAs NFETs can be significantly enhanced compared to bulk values, due to quantum-dot-like states that occur in electrically non-uniform nanowires. These quantum-dot-like states are a result of interference between propagating states and 0D resonances. In chapter V the electrically driven phase transition below the Verwey temperature TV in magnetite (Fe3O4) nanowires is investigated via field-effect measurements as well as via a combination of pulsed bias voltage excitation and alternating current measurements. It is shown that high electric fields trigger the breakdown of the equilibrium insulating state of magnetite below the Verwey temperature into a highly conductive phase. The recovery of the insulating state is shown to evolve through correlated hopping transport in a thermally activated relaxation process.