Wasserstoffdotierte WO3-Filme: Elektrische Transporteigenschaften - Metall-Isolator- Übergang

Tritthart, Ulf

Die Injektion von Wasserstoff in Wolframtrioxid-Filme führt zu einer drastischen Zunahme der spezifischen Leitfähigkeit, bis schließlich ein Metall-Isolator-Übergang (MIT) erreicht wird. In dieser Arbeit wurden die resistiven Eigenschaften solcher HxWO3-Proben für verschiedene Wasserstoffkonzentrationen x untersucht. Die ca. 1µm dicken amorphen WO3-Filme wurden durch thermisches Sublimieren des Übergangsmetalloxids hergestellt. Der Wasserstoff wurde mit Hilfe des photochromen Prozesses injiziert, genauer durch die UV-Belichtung der Proben in einer Methanol-Atmosphäre. Anschließend wurde der Widerstand sowohl temperaturabhängig (1,4K < T < 300K) als auch magnetfeldabhängig (bis zu 16T) bestimmt. Nachdem ein solcher Meßzyklus beendet war, wurde der Wasserstoffgehalt der Probe variiert und mit diesem neuen x-Wert ein weiterer Meßzyklus gestartet. Es war somit möglich, mit nur einer Probe den MIT durchzustimmen und insgesamt einen Bereich der spezifischen Leitfähigkeit von 0,0005 bis hin zu 20000 1/(Ohm m) zu untersuchen. Auf der isolierenden Seite bestimmt ein Variable-Range-Hopping (VRH) nach Mott die Probeneigenschaften. Bei tieferen Temperaturen konnte ein Übergang zu einem VRH nach Efros und Shklovskii beobachtet werden, welcher durch den zusätzlichen Einfluß einer Elektron-Elektron-Wechselwirkung entsteht. Durch die erstmalig durchgeführten Messungen des Magnetowiderstandes bei verschiedenen Temperaturen war es möglich, den Bohrschen Radius, also die räumliche Ausdehnung der Störstellenniveaus, zu ermitteln. Für schwach dotierte Filme ergab sich der Bohrsche Radius zu ca. 6Å und stieg auf ca. 40Å an für Proben nahe dem MIT. Darüber hinaus wurde ein negativer Beitrag zum Magnetowiderstand gefunden, der als ein Interferenzeffekt, wie er von Nguyen et al. vorgeschlagen wurde, interpretiert wurde.

The specific resistance of tungstenoxide-films (WO3) increases drastically with the injection of hydrogen. It is possible to attain a metal-insulator transition (MIT) in this system. This work investigates the conductance properties of such HxWO3 samples for different hydrogen concentrations x. The amorphous WO3-films (thickness 1µm) were prepared by thermal evaporation of the oxide. For the hydrogen injection the photochromic process was used - illuminating the films with UV-light in a methanol atmosphere. Finally the temperature dependence of the resistance (1,4K < T < 300K) and the magnetoresistance (up to 16T) were estimated. After this measurement cycle the hydrogen concentration x was varied and the next cycle started. It made it possible to go through the MIT by using only one sample and to investigate the specific conductance between 0,0005 and 20000 1/(Ohm m) for different x-values. For non-metallic samples a Mott variable-range hopping (VRH) determined the sample characteristic. At lower temperature a transition from Mott-VRH to an Efros-Shklovskii VRH was observed, which included an electron-electron interaction. By using the magnetoresistance at different temperatures combined with the temperature dependence it was possible to determine the bohr radius, showing the spatial dimension of the impurity levels. For lightly doped samples the radius was calculated at approximately 6Å. Near the MIT this value increased up to 40Å. Furthermore a negative contribution to the magnetoresistance was discovered. An interference process introduced by Nguyen et al. was used to explain this effect. Despite a huge specific resistance of the metallic HxWO3-films (R > 5000 µOhmcm) the experimental results were explained with the quantum corrections to the conductivity (QC).

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Tritthart, Ulf: Wasserstoffdotierte WO3-Filme: Elektrische Transporteigenschaften - Metall-Isolator- Übergang. 1999.

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