In der vorliegenden Arbeit werden dünne Halbleiterheterostrukturen auf GaAs/AlGaAs und InGaAs Basis in Bezug auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Besonderes Augenmerk liegt auf der Temperaturabhängigkeit sowohl der Nullfeld-Thermokraft sowie der Magnetothermokraft und des Nernst-Ettinghausen Koeffizienten in auf die Probe wirkenden homogenen oder homogen modulierten Magnetfeldern. Die zugrunde liegenden Strukturen basieren auf mit Molekularstrahl-Epitaxie gewachsenen Halbleiterheterostrukturen. Daraus wurden dünne, von dem Substrat abgelöste Membranen mit Dicken von 320 nm hergestellt, die ein hoch bewegliches, zweidimensionales Elektronensystem (HEMT) in Hall-bar Geometrie mit einer Länge von 34 μm und einer Breite von 20 μm enthalten. Entlang der Membranen erzeugt Joule´sches Heizen des Kristallgitters einen Temperaturgradienten, der zu den Aufhängepunkten der Membranen gerichtet ist. Diese Punkte wirken als Wärmesenken und stehen in Kontakt zu einem kalten Reservoir.
Wir zeigen, dass die thermische Leitfähigkeit der Membranen gegenüber Volumenmaterialsignifikant verringert ist. Daher ist es möglich, entlang dieser Membranen selbst starke Temperaturgradienten auf Distanzen von nur wenigen zehn Mikrometern zu erzeugen. Thermoelektrische Messungen an planaren Proben zeigen, dass der Phonon-drag in den abgelösten Hall-bar Strukturen bis zu Temperaturen von 7 K unterdrückt ist, viel höher als bisher in HEMTs auf Volumenmaterial beobachtet. Zudem deuten die Messungen darauf hin, dass sich durch die Präparation der HEMT Struktur als dünne Membrane der dominante Elektron-Phonon Kopplungsmechanismus von piezoelektrisch (dominant in GaAs Volumenmaterial) zu einer Kopplung über Deformationspotentiale verändert hat. Magnetothermokraftmessungen in dem Bereich der Thermodiffusion (T < 7 K) sind in guter Übereinstimmung mit von uns genutzten theoretischen Modellen sowohl für den Bereich niedriger Magnetfelder als auch bei hohen Magnetfeldern im Quanten Hall Regime.
Erste Messungen an aufgerollten HEMT Strukturen zeigen magnetfeldabhängige Thermokraftoszillationen, deren Lage stark mit dem Rotationswinkel der HEMT Struktur relativ zum externen Magnetfeld verschiebt.
In this thesis, thermoelectric studies on very thin membranes of GaAs/AlGaAs and InGaAs heterostructures are presented. In particular, the temperature dependence of the zero-field thermopower as well as the dependence of the magnetothermopower and the Nernst-Ettinghausen coefficient is investigated with respect to homogeneous and homogeneously modulated magnetic fields.
The studied samples are prepared from semiconductor heterostructure wafers fabricated using molecular beam epitaxy. From these, thin suspended membranes with thicknesses of 320 nm were fabricated, containing a high-mobility electron system (HEMT) in Hall-bar geometry with 34 μm length and 20 μm width. Joule heating of the membranes central part generates a thermal gradient that is directed towards the suspension points, which act as heat sinks. We show that the small dimensions of the membranes substantially reduce the thermal conductivity compared to bulk material. Thus, it is possible to establish strong thermal gradients even over few micrometers distances. From the measurements on planar membranes, we find that the phonon-drag is suppressed at low temperatures up to 7 K. This is the highest value reported for HEMTs in GaAs/AlGaAs heterostructures so far. Furthermore, the measurements indicate that the mechanism of electron-phonon interaction has changed from piezoelectric coupling to a coupling caused by screened deformation potentials. Magnetothermopower measurements in the temperature regime of thermodiffusion (T < 7 K) are in good agreement with theoretical models used to calculate either the low field magnetothermopower and the magentothermopower at high fields where Landau-quantization occurs.
First measurements on rolled-up HEMT structures show magnetic-field dependent thermopower oscillations that strongly shift in dependence of the otational angle of the external magnetic field with respect to the symmetry axis of the HEMT.