Variable Range Hopping in Metalloxid-Halbleitern: Tieftemperatur-Transportmessungen an dünnen SnO2- und TiO2-Schichten

Awada, Ali

doi:10.24355/dbbs.084-201207110914-0

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Variable Range Hopping in Metalloxid-Halbleitern : Tieftemperatur-Transportmessungen an dünnen SnO2- und TiO2-Schichten

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Spintronik ergänzt die konventionelle Halbleiterelektronik bereits an vielen Stellen der Informationstechnologie, die dadurch neben dem elektronischen Freiheitsgrad der Ladung auch den des Elektronenspins nutzen kann. Die klassische Trennung von elektronischer Datenverarbeitung und magnetischer Speicherung in der Informationstechnologie wurde mit der Entdeckung magnetoresistiver Effekte in magnetischen Schichtsystemen aufgehoben - an dieser Stelle treten die beiden Elektroneneigenschaften Spin und Ladung in Wechselwirkung. Die enge Verknüpfung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften erfordert ein genaues Verständnis der elektronischen Vorgänge in dotierten Metalloxid-Halbleitern, um Materialien wie die zwei Verbindungen SnO2 und TiO2 gezielter für spintronische Anforderungen zu modellieren. Zu diesem Zweck wurden Untersuchungen an diesen Materialien unternommen, um die grundlegenden Prozesse der Schichtherstellung, der Nachbehandlungen und die morphologische Charakterisierung bis zu deren Auswirkungen auf die elektrischen Transportmechanismen und die magnetische Phänomenologie zu studieren. In der vorliegenden Arbeit werden die Herstellung von dünnen Zinndioxid- und Titandioxid-Schichten und die Resultate verschiedener physikalischer Charakterisierungsmethoden beschrieben. Die beiden Metalloxide wurden mit einem Sputterverfahren und mit einem thermischen Verdampfungsverfahren als dünne Schichten aufgebracht. Es wurden Mikroskop- und Röntgen-Beugungsuntersuchungen durchgeführt, um die Morphologie der Materialien zu untersuchen. Einige SnO2-Proben wurden einem Annealing unterzogen, die TiO2-Schichten wurden nachträglich mit Fe-Ionen dotiert. Die Untersuchungen konnten in einigen Fällen ferromagnetische Ordnung in TiO2:Fe mit Ordnungstemperaturen über 300 K bestätigen. Die Leitfähigkeitsmessungen der Schichten identifizieren den dominierenden Leitungsmechanismus als Variable Range Hopping zwischen lokalisierten Zuständen tief in der Bandlücke.

Spintronics already increase the functionality of conventional semiconductor electronics, by utilizing the degree of freedom of the electrons charge and spin at the same time. The traditional separation of electronical data processing and magnetical data storage has been overturned by the discovery of magneto resistive effects in magnetic layer structures - at this point the spin and the charge of the electron interact. To use compounds like SnO2 and TiO2 for spintronic devices a detailed understanding of the electronical processes in such materials is required. Mainly that is the close interconnection between magnetical and electronical properties in doped metal oxide semiconductors. For this purpose the fundamental processes of thin film deposition, the effects of secondary treatment and the morphological properties of these materials have been investigated, to study the influence on the electrical transport and the magnetical phenomenology. In this work different deposition methods for tin dioxide und titanium dioxide thin films are described and the results of several physical characterizations are shown. Both compounds have been deposited as thin films with sputtering and with thermal evaporation. Investigations of the materials morphology were done by transmission electron and atomic force microscopy and X-Ray diffraction. Some SnO2 samples have been annealed, while the TiO2 thin films have been doped with Fe ions post-preparational. In some cases the results show ferromagnetical behaviour in TiO2:Fe with ordering temperatures above 300 K. The conductivity measurements identify the Variable Range Hopping of localized states in the band gap as the dominating electronic transport process.