Thermoelectric properties of oxide heterostructures

Abstract

The thermoelectric properties and the electrical conductivity of thin films of the high temperature superconductor YBa2Cu3O7-d and the ferromagnet/paramagnet La2/3Ca1/3MnO3 as well as heterostructures and superlattices of both materials were investigated in this thesis. Since the properties of YBa2Cu3O7-d and La2/3Ca1/3MnO3 are antagonistic, the simultaneous occurrence of both properties in heterostructures and superlattices and the mutual interactions between both materials are in the focus of interest. The investigations should gain insight into the nature of these interactions and can be seen complementary to the investigations using Hall coefficient and normal resistivity measurements. Also, the studies should lead to information about the properties of the interface between both materials.

The thin films used in this thesis exhibit mainly a total thickness of 2000 Å. They were grown on different substrates (SrTiO3, (La0.27Sr0.73)(Al0.65Ta0.35)O3, NdGaO3) by pulsed laser deposition (PLD) techniques and studied in different temperature ranges (20 K to 390 K or 320 K to 750 K). The concept was to investigate at first the physical properties of single layer YBa2Cu3O7-d and La2/3Ca1/3MnO3. In a second step, heterostructures and superlattices of both materials, also with a total thickness of 2000 Å, were fabricated and studied. Using systems with constant total thickness, but with different thicknesses of the single layer materials in the structures and thus varying number of interfaces should lead to knowledge about the mutual influences between both materials and the properties of the interface between both materials.

The investigations of single layer YBa2Cu3O7-d and La2/3Ca1/3MnO3 thin films lead to findings which were in a good agreement with the results published by different groups before. The measured Seebeck-coefficients of optimally doped YBa2Cu3O7 d (d = 0.05) are zero in the superconducting state and nearly zero (S(T) = ± 2 µV/K) up to temperatures of 400 K. The Seebeck-coefficients determined for La2/3Ca1/3MnO3 are nearly zero (S(T) = ± 2 µV/K) in the ferromagnetic regime and negative (S(T) = 10 µV/K to 17 µV/K) in the paramagnetic state.

Both materials were combined in heterostructures and superlattices. The investigated Seebeck-coefficients result always in positive values between 20 K and 390 K. The findings are completely unexpected since they are strongly deviating from a theoretical combination of the physical properties of the single layer materials according to Kirchhoff’s law. The calculated values are nearly matching with the Seebeck-coefficients investigated for YBCO. Finally, the findings were addressed to long range interactions nucleated at an electronic and magnetic reconstructed interface between YBa2Cu3O7-d and La2/3Ca1/3MnO3. Information about the physical properties of the interface could not be gathered directly, because of its high resistivity.

Diese Arbeit befasst sich mit den thermoelektrischen Eigenschaften und der elektrische Leitfähigkeit dünner Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-d und des Ferromagneten/Paramagneten La2/3Ca1/3MnO3 sowie Heterostrukturen und Übergitter beider Materialien. Angesichts der antagonistischen Eigenschaften beider Materialien sind das gleichzeitige Auftreten beider Eigenschaften in Heterostrukturen und Übergittern, sowie die Wechselwirkungen zwischen beiden Materialien von großem Interesse. Die Untersuchungen sollen Einblicke in die Natur der Wechselwirkungen liefern und können als komplementäre Untersuchungen zu den Messungen von Hall Koeffizienten und des elektrischen Widerstandes betrachtet werden. Ebenso sollen die Experimente Informationen über die physikalischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen beiden Materialien ergeben.

Die in der Arbeit untersuchten dünnen Schichten weisen überwiegend eine Dicke von 2000 Å auf. Sie wurden auf verschiedenen Substraten (SrTiO3, (La0,27Sr0,73)(Al0,65Ta0,35)O3, NdGaO3) mittels Gepulster Laser Deposition (PLD) abgeschieden und in verschiedenen Temperaturbereichen (20 K bis 390 K oder 320 K bis 750 K) untersucht. Als Erstes wurden die physikalischen Eigenschaften der Einzelschichten von YBa2Cu3O7-d und La2/3Ca1/3MnO3 charakterisiert. Als Zweites erfolgte die Herstellung von Heterostrukturen und Übergitter beider Materialien (Gesamtdicke ebenso 2000 Å) und deren Untersuchung. Durch die Erzeugung von Strukturen mit einer konstanten Gesamtdicke, einer variierenden Dicke der Einzelschichten in den Strukturen und somit einer variierenden Anzahl an Grenzflächen sollten Informationen über die Wechselwirkungen zwischen beiden Materialien und die Eigenschaften der Grenzflächen zwischen beiden Materialien gewonnen werden.

Die Untersuchungen der Einzelschichten von YBa2Cu3O7-d und La2/3Ca1/3MnO3 führen zu Ergebnissen, die mit den Werten übereinstimmen, die von verschiedenen Gruppen publizierten wurden. Die gemessenen Seebeck-Koeffizienten von optimal dotiertem YBa2Cu3O7-d (d = 0.05) sind gleich null im supraleitenden Temperaturbereich und nahezu null (S(T) = ± 2 µV/K) bis zu Temperaturen von 400 K. Die Seebeck-Koeffizienten, die für La2/3Ca1/3MnO3 bestimmt wurden, sind nahezu null (S(T) = ± 2 µV/K) in der ferromagnetischen Phase und negativ (S(T) = 10 µV/K bis 17 µV/K) im paramagnetischen Temperaturbereich.

Die bei den Heterostrukturen und Übergittern gemessen Seebeck-Koeffizienten sind in einem Temperaturbereich von 20 K bis 290 K immer positiv. Dieses Ergebnis ist überraschend, da die Messwerte sehr stark von den theoretisch berechneten Werten abweichen. Die Berechnungen wurden an Hand der physikalischen Eigenschaften der Einzelschichten nach dem Kirchhoffschen Gesetz durchgeführt und liefern nahezu identische Werte zu den bei YBa2Cu3O7-d Einzelschichten gemessenen Werten. Die Ursache der hohen Seebeck-Koeffizienten wurden langreichweitigen Effekten zugeschrieben, die ihren Ursprung in der Grenzfläche zwischen YBa2Cu3O7-d und La2/3Ca1/3MnO3 haben. Die Grenzfläche weist elektronische und magnetische Eigenschaften auf, die sich von den Eigenschaften der Einzelschichten unterscheiden. Wegen des hohen elektrischen Widerstands der Grenzfläche war es nicht möglich, die Eigenschaften der Grenzfläche direkt aus den Messungen der Seebeck-Koeffizienten abzuleiten.