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Fabrication and characterisation of bismuth nanowires

Cornelius, Thomas Walter

German Title: Herstellung und Characterisierung von Bismut Nanodrähten

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Abstract

Single- and polycrystalline bismuth nanowires were created by electrochemical deposition in ion track-etched polycarbonate membranes. Wires fabricated potentiostatically possess a strong <110> texture which becomes more pronounced for wires deposited at lower overpotentials, at higher temperatures, and in nanopores of smaller diameters. By applying reverse pulses, wires that are <100> textured can be grown where the texture increases for shorter pulses and higher anodic potentials. Infrared spectroscopic microscopy on single bismuth nanowires reveals an absorption whose onset is blueshifted with decreasing wire diameter. The observed effect may be attributed either to an increase of the direct band gap at the L-point of the Brillouin zone caused by quantum-size effects, or to a blueshift of the plasma frequency produced by surface defects acting as dopants. In addition, electrical resistance of single bismuth nanowires, embdedded in the template, has been measured as a function of both wire crystallinity and temperature. The results demonstrate that finite-size effects affect the wire resistivity which is higher than the bulk value and depends on the mean grain size. Measurements as a function of temperature demonstrate that the charge carrier mobility saturates at low temperatures because of electron scattering at grain boundaries, resulting in a non-monotonic resistance versus temperature behaviour. Further, measurements of the electrical resistance of wire arrays as a function of the magnetic field show a rising magnetoresistance with increasing diameter and growing mean grain size.

Translation of abstract (German)

Ein- und polykristalline Wismut-Nanodrähte wurden elektrochemisch in geätzten Ionenspurmembranen abgeschieden. Mittels konstanter Spannung hergestellte Drähte zeigen eine starke <110>-Textur. Diese ist umso stärker ausgeprägt, je geringer die Spannung und höher die Temperatur während der Abscheidung und je dünner die Poren sind. Mit Wechselspannung lassen sich <100>-texturierte Drähte herstellen, wobei diese Textur verstärkt wird für Abscheidungen mittels kürzerer Pulse und Anlegen eines höheren Anodenpotentials. Infrarotspektroskopie an einzelnen Nanodrähten zeigt eine Absorption, deren Kante mit abnehmendem Drahtdurchmesser blauverschoben wird. Als Ursache kommen Quanteneffekte in Frage, welche die direkte Bandlücke am L-Punkt der Brillouin- Zone vergrößern oder auch zusätzliche aus Defekten stammende Ladungszustände an der Drahtoberfläche, die die Plasmafrequenz erhöhen. Weiterhin wurden einzelne im Templat eingebettete Wismut-Nanodrähte elektrisch kontaktiert und ihr Widerstand als Funktion der Kristallinität und Temperatur charakterisiert. Die Messungen zeigen bestimmte spezifische elektrische Widerstände abhängig von der mittleren Korngröße. Untersuchungen des Widerstandes als Funktion der Temperatur demonstrieren, dass die Beweglichkeit der Ladungsträger bei tiefen Temperaturen, aufgrund von Streuprozessen an Korngrenzen, in Sättigung geht. Experimente an Vieldrahtproben bezüglich des elektrischen Widerstandes als Funktion des magnetischen Feldes zeigen einen ansteigenden Magnetwiderstand mit zunehmendem Drahtdurchmesser und wachsender Korngröße.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Neumann, Prof. Reinhard
Date of thesis defense: 5 July 2006
Date Deposited: 28 Jul 2006 10:14
Date: 2006
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Nanodraht, Bismut, Spezifischer Widerstand, Infrarotspektroskopie, Infrarotabsorption, Röntgenbeugung, Kristallinität, Galvanische Abscheidung
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