Universität Osnabrück, Graduiertenkolleg Mikrostruktur oxidischer
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30 UNIVERSITÄT OSNABRÜCK, FACHBEREICH PHYSIK<br />
Die Kombination nichtstationärer Photoströme mit einem externen zeitlich modulierten Magnetfeld hat die Generation<br />
lichtinduzierter Hallströme in einer SBN-Probe ermöglicht. Daraus wurden die Hall-Beweglichkeiten<br />
der Ladungsträger für dieses Material erstmals bestimmt. Elektronen dominieren bei der Leitfähigkeit. Die Werte<br />
der Elektronen-Hallbeweglichkeit lauten µ||c = (4±1) × 10- 6 m 2 V -1 s -1 und µ⊥c = (1.3±0.3) × 10 -6 m 2 V -1 s -1 für die<br />
Wanderung parallel bzw. senkrecht zur kristallographischen c r -Achse.<br />
Bereits die kleinen Absolutwerte deuten an, daß zur experimentellen Bestimmung ein erheblicher Aufwand<br />
getrieben werden muß. Um einen primären nichtstationären Photostrom mit einem Signal/Rausch-Verhältnis<br />
von 10 6 :1 zu erzeugen, waren umfangreiche Verbesserungen der experimentellen Technik notwendig. Neben<br />
individuellen Lösungen bei der Meßsignalverarbeitung (spezielle Vorverstärker, Gebrauch von zweifacher<br />
Modulation mit entsprechender Lock-In-Technik), war vor allen Dingen die mechanische Stabilität der Meßaufbauten<br />
der Schlüsselpunkt zur erfolgreichen Durchführung. Periodische mechanische Deformationen des Aufbaus,<br />
hervorgerufen durch Magnetfelder und Wirbelströme, können das Meßsignal beeinflussen und zu systematischen<br />
Fehlern führen. Diese Probleme traten zunächst auf, wurden jedoch durch Verbesserungen der Apparatur<br />
behoben. Schließlich konnten selbst interferometrisch keine Instabilitäten des Aufbaus mehr nachgewiesen<br />
werden. Das gemessene Signal läßt sich eindeutig auf den Hall-Effekt zurückführen.<br />
Durch zeitaufgelöste und integrierende Photoleitfähigkeitsmessungen mit Laserpulsen konnte zusammen mit<br />
den gemessenen Diffusionslängen ebenfalls die Hallbeweglichkeit ermittelt werden. Das Resultat µ ||c = (2.7±0.5)<br />
× 10 -6 m 2 V -1 s -1 stimmt mit dem direkt gemessenen Wert angesichts der unterschiedlichen experimentellen Zugänge<br />
sehr gut überein.<br />
2.2 Ein Ladungstransportmodell für SBN<br />
Mit den so erhaltenen Meßdaten konnte nun der komplette Parametersatz des lichtinduzierten Ladungstransports<br />
für das Material SBN dotiert mit Cer bestimmt werden: Neben den in der Regel zugänglichen Größen wie<br />
den Konzentrationen von gefüllten und leeren Störstellen und dem Photonenabsorptionswirkungsquerschnitt ist<br />
es jetzt möglich, auch den Quantenwirkungsgrad für die Anregung eines Elektrons bei Absorption eines Photons<br />
sowie den Rekombinationskoeffizienten zu bestimmen. Dabei wurde auf Ergebnisse unterschiedlicher<br />
Meßmethoden zurückgegriffen, u.a. der Neutronenaktivierungsanalyse und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie.<br />
Im folgenden wird eine kurze Zusammenfassung der Erkenntnisse zum Ablauf des lichtinduzierten<br />
Ladungstransports auf mikroskopischer Ebene gegeben.<br />
Die wichtigsten Parameter sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Der ermittelte Photonenabsorptionswirkungsquerschnitt<br />
S führt auf einen effektiven Radius des Elektronenspenders Ce 3+ von R Ce 3+ ,eff = 3×10- 12 m. In der Literatur<br />
wird ein Ionenradius RCe 3+ = 1.3×10-10 m angegeben [3]. Das bedeutet, daß von 2200 Photonen der Wellenlänge<br />
λ = 514 nm, die ein Ce 3+ -Ion in einem cerdotierten SBN-Kristall passieren, nur eins absorbiert wird. Der<br />
Quantenwirkungsgrad q = 0.06 zeigt dabei ferner, daß von 17 absorbierten Photonen nur eins zur Anregung<br />
eines Elektrons in das Leitungsband führt.<br />
Parameter Bezeichnung Wert<br />
Konzentration des Spenderions Ce 3+ cCe3+ 4.7×10 24 m -3<br />
Konzentration des Fängerions Ce 4+ cCe4+ 1.7×10 22 m -3<br />
Photonenabsorptionswirkungsquerschnitt S 2.6×10 -23 m 2<br />
Rekombinationskoeffizient r 1.0×10 -16 m 3 s -1<br />
Quantenwirkungsgrad<br />
Hallbeweglichkeit parallel zur<br />
q 0.06<br />
r c -A chse<br />
µHall,||c 4.0×10 -6 m 2 V -1 s -1<br />
Hallbeweglichkeit senkrecht zur r c -Achse µHall, ⊥c 1.3×10 -6 m 2 V -1 s -1<br />
Tabelle 1: Parameter des lichtinduzierten Ladungstransports eines mit 0.025 Gew.-% CeO2 dotierten SBN-Kristalls (Wellenlänge<br />
λ = 514 nm, Zimmertemperatur).<br />
Die Elektronen diffundieren die Strecke L D = 0.2 µm bevor sie schließlich von einem Ce 4+ -Ion gefangen werden.<br />
Diese Strecke multipliziert mit dem effektiven Einfangquerschnitt A Ce 4+ ,eff = πR 2 Ce 4+ ,eff von Ce 4+ gibt das Kristallvolumen<br />
pro Ce 4+ -Ion, also 1/c Ce 4+. Aus dieser Beziehung ergibt sich schließlich R Ce 4+ ,eff = 1.0×10 -8 m. Der Vergleich<br />
mit dem Literaturwert RCe 4+ = 1.0×10-10 m [3] zeigt, daß aufgrund der wirksamen Coulomb-Anziehung<br />
der effektive Einfangradius 100 mal größer ist als der Ionenradius eines Ce 4+ -Ions.