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Präparation von nanostrukturierten zweidimensionalen Elektronengasen und die Charakterisierung ihrer linearen und nichtlinearen Transporteigenschaften

Ganczarczyk, Arkadius

In dieser Arbeit wird der nichtlineare Transport in zweidimensionalen Elektronengasen anhand von drei Experimenten untersucht, wobei das nichtlineare Verhalten der untersuchten Bauteile auf einer besonderen Geometrie beruht. Im ersten Experiment wird die Gleichrichtung an einem Symmetrie-gebrochenen zweidimensionalen Elektronengas analysiert, wobei der Symmetriebruch durch eine Dichtemodulation im Elektronengas entlang der Stromrichtung herbeigeführt wird. Mit einem Thermodiffusions-Modell wird gezeigt, dass die Gleichrichtung durch diffusive Thermoelektrik bewirkt wird. Zudem wird eine neue Methode eingeführt, mit welcher die inelastische Streuzeit des zweidimensionalen Elektronengases bestimmt werden kann. Mit der inelastischen Streuzeit werden die Elektronentemperaturen in dem dichtemodulierten System abgeschätzt, welche für die Berechnung der Thermospannung benötigt werden. Für die Realisierung eines ballistischen Transistors wird im zweiten Experiment das lineare und nichtlineare Transportverhalten der magnetischen Elektronen-Fokussierung untersucht. Um das nichtlineare Verhalten für hohe Injektionsenergien zu erklären, wird ein Einzelelektronen-Billard-Modell der Elektronen-Fokussierung präsentiert. Mit dem Modell kann gezeigt werden, dass die Elektron-Elektron-Streuung, welche stark von der Injektionsenergie abhängig ist, für das nichtlineare Verhalten verantwortlich ist. Auf den Ergebnissen dieser Arbeit basierend wird das Konzept eines ballistischen Transistors vorgeschlagen. Im letzten Experiment wird eine steuerbare Selbst-Schaltende-Diode und ihre Wirkungsweise vorgestellt. Die Funktionsweise dieser Diode beruht auf einem Rückkopplungs-Effekt, wobei die Steuerung mit Seiten-Gates erfolgt. Im selbst-sperrenden Regime funktioniert das Bauteil wie ein perfekter Halbwellen-Gleichrichter. Obwohl alle drei Bauteile aus dem gleichen Material bestehen, verursachen in allen Experimenten unterschiedliche (und teilweise ungewöhnliche) Effekte das beobachtete nichtlineare Transportverhalten. Zudem wird ständig nach neuen, fortgeschrittenen Strukturierungsmethoden gesucht, z.B. um Formgebungs-Effekte in neuen Materialsystemen untersuchen zu können. Solch eine neue Methode zur Strukturierung von GaAs und Graphen auf der Nanometerskala wird mit dem Gas-unterstützten Elektronenstrahl-induzierten lokalen Ätzen vorgestellt. Bei dieser Methode handelt es sich um eine präzise Methode mit einer sehr hohen Auflösung, welche zudem sehr schonend für das zu strukturierende Material ist. Die neue Strukturierungsmethode ist insbesondere für das neue Materialsystem Graphen interessant, um ballistischen Transport bei Raumtemperatur zu realisieren.

This thesis investigates the non-linear transport in two-dimensional electron gases on the basis of three experiments. In all three cases the non-linear behavior is caused by a special device geometry. In the first experiment the rectification in a symmetry-broken two-dimensional electron gas is analyzed. The broken symmetry in the device is induced by a density modulation of the electron channel along the current direction. A diffusion thermopower model shows that the observed rectification is caused by a thermoelectric effect. In addition, a new method is introduced, which allows the determination of the inelastic scattering time in a two-dimensional electron gas. With the inelastic scattering time it is possible to estimate the electron temperatures in the density modulated system, which are needed for the calculation of the thermovoltage. As a preliminary work for a ballistic transistor the second experiment investigates the linear and non-linear transport behavior of the ballistic electron focusing. In order to explain the non-linear behavior of the electron focusing devices for high injection energies, a single electron billiard model of the electron focusing is developed. The model shows that electron-electron interaction, which is highly dependent on the injection energy, is causing the observed non-linear behavior. A concept of a ballistic transistor, based on the results presented in this thesis, is suggested. The last experiment deals with a voltage-tunable self-switching in-plane diode and its working principle. An applied voltage along the channel modulates the effective width of the conducting channel, resulting in a diode-like IV-characteristic. In the normally-off state the device works as an ideal half-wave rectifier. Although all three devices consist of the same material, the non-linear transport behavior in all three experiments is caused by entirely different effects. In addition to that, the search for new, more advanced patterning methods is going on, for example to allow the investigation of finite size effects in new material systems. Such a new method to pattern GaAs and graphene at the nanometer scale is introduced with the gas-assisted electron beam induced local etching. This method is non-destructive for the patterned material and has a very high resolution. This patterning method is particularly interesting for the material system graphene to realize ballistic transport at room temperature.

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Ganczarczyk, Arkadius: Präparation von nanostrukturierten zweidimensionalen Elektronengasen und die Charakterisierung ihrer linearen und nichtlinearen Transporteigenschaften. 2013.

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