Materialsysteme

1911 entdeckte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes an der Universität in Leiden, dass Quecksilber bei einer Temperatur von ungefähr 4 K, der sogenannten Sprungtemperatur, jeglichen elektrischen Widerstand verliert. Seitdem wurden viele verschiende andere Supraleiter-Materialien mit zum Teil deutlich höheren Sprungtemperaturen gefunden. Im Institut wird das seit 1987 bekannte Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) hergestellt und untersucht. Dieses Material besitzt eine Sprungtemperatur von knapp 90 K, sodass es mit flüssigem Stickstoff (77 K) gekühlt werden kann und nicht vergleichsweise teueres flüssiges Helium verwendet werden muss. Mit verschiedenen Methoden werden die Eigenschaften der mit gepulster Laserdeposition hergestellten Schichten - teilweise während des Prozesses - untersucht. Außerdem können Supraleiter für verschiedene supraleitende Bauelemente verwendet werden, die ebenfalls im Institut hegestellt und für Messaufgaben eingesetzt werden.

Grundlegende Eigenschaften

• Dichte: 5,67 g/cm³
• Molekulargewicht: 81,38 u
• Ionenradien:
  • r_Zn²⁺ = 0,60 Å
  • r_O^2- = 1,40 Å
• Elektronenkonfiguration:
• Zn: [Ar] 3d¹⁰4s²
• O: [He] 2s²2p⁴

Kristallgitter

• Hexagonal (Wurzit)
• Raumgruppe: P6₃mc – C⁴_6ν
• Gitterkonstanten:
  • a = 3,24 Å
  • c = 5,20 Å

Elektrische Eigenschaften

• Bandlücke
  • Eg = 3.27 eV (@300 K)
  • Eg = 3.44 eV (@6 K)
• Hall Beweglichkeit
  • µ_na = 70 cm²/Vs (Dünnfilm)
  • µ_nc = 170 cm²/Vs (Kristall)
  • µ_na = 150 cm²/Vs (Kristall)
• Effektive Massen
  • Elektronen: m_n* = 0.28 m_e
  • Löcher: m_h* = 0.59 m_e
• Dielektrische Konstanten
  • ε(0)_a = 7,80
  • ε(0)_c = 7,85
  • ε(∞)_a = 3,70
  • ε(∞)_c = 3,75

Thermische Eigenschaften

• Schmelzpunkt: 2242 K
  • Δl/l = 9 *10^-6 1/K
  • Wärmeleitfähigkeit: κ = 54 W/mK

Dünnschicht

• Sputtern, gepulste Laserdeposition, MBE auf Saphir
• 450 °C ≤ T ≤ 750 °C, p(O₂) ≈ 8*10^-5 Torr
• Dotierung:
  • n-leitend
  • n-Dotierung: Al, Ga, In (n = 10²⁰- 10²¹cm³)
  • p-Dotierung: problematisch, kurzlebig (N,P,As)
  • Li, Mn

Weitere Eigenschaften

• Mg_xZn_1-xO als II-VI „widegap“ Halbleiter (Bandlücke: 3,3ev bis 7,8 eV)

• 2DEG

• Phasenübergang:

  • bei 9 GPa: Wurzit → NaCl (300 K) [256 GPa:→CsCl]
• piezoelektrisch: ≈ 1,2 C/m²

Literatur

• Satishchandra B. Ogale (ed.): Thin Films and Heterostructures for Oxide Electronics, Springer (2005)
• M. Karger, M. Schilling, Phys. Rev. B 71, 075304 (2005)
• J. Sun, H.-T. Wang, J. He, Y. Tian, Phys. Rev. B 71, 125132 (2005)
• A. Ohtomo et al. , Appl. Phys. Lett. 72, 2466 (1998)

Strontiumtitanat (SrTiO₃ , STO) ist ein dielektrisches Material, das z.B. für optische Bauelemente oder als Isolator verwendet werden kann. Ebenso kann es unter bestimmten  Bedingungen halbleitend werden. Im EMG wird Strontiumtitanat im Wesentlichen in Verbindung mit dem Hochtemperatursupraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid verwendet, da das Material eine ähnliche Gitterkonstante und einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt und sich so als Substrat oder als Schutzschicht eignet. Die Herstellung kann in situ gemeinsam mit dem Supraleitermaterial in der Anlage für die gepulste Laserdeposition geschehen.

(Fe₃O₃)

(Übersetzung folgt)

Maghemite likewise to magnetite has a cubic crystal structure with the lattice d-spacing of 8.33 Å. As it can be deduced from its chemical formula γ-Fe₂O₃, there only exists Fe³⁺ cations which are arbitrarily distributed in 16 octahedral and 8 tetrahedral interstitial sites in the FCC packing of oxygen anions as shown in Fig.1. The Fe²⁺ cation vacancies () are located in the octahedral sites and their arrangement in the maghemite structure plays a preponderant role in magnetic response of maghemite. When the vacancies are randomly distributed its space group is (No. 227) and its formula unit may be written as O₃₂. The described crystal arrangement is known as normal spinel. Since the spins in the octrahedral and tetrahedral sites are oriented anti-parallel, maghemite is a ferrimagnetic.

(Übersetzung folgt)

Wüstite has a defected salt-like crystallographic structure (, space group No. 225 and the normal lattice d-spacing of 4.303 Å). In its unit cell, oxygen atoms occupy the main face-centred cubuc (FCC) places and Fe²⁺ cations fill all octahedral interstitial sites as visualized in Figure below. The presence of many vacancies in its structure causes high mobility Fe²⁺ cations towards the surface and their consequence oxidation to Fe³⁺. This means that wüstite is a thermodynamically unstable phase and tends to fully oxidize to magnetite by being exposed to air. Regarding the magnetic properties, wüstite showas antiferromagnetic (AFM) behaviour, revealing a negligible magnetic response even in the presence of a magnetic field owning to its anti-parallel spin configuration.