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Open Access
Frequenz- und temperaturabhängige Mikrowelleneigenschaften supraleitender Proben in Corbino-Geometrie
(2016) Zinßer, Mario
Aufbauend auf der Staatsexamensarbeit von Markus Bader beschäftigt sich diese Bachelorarbeit mit Oszillationen des komplexwertigen Reflexionskoeffizienten als Funktion der Frequenz bei supraleitenden Proben in Corbino-Geometrie. Zur Messung verwendet wurde ein Durchflusskryostat mit angeschlossenem Netzwerkanalysator, Temperaturcontroller und Gleichstromwiderstandsmessgerät. Dieser Aufbau erlaubt Messungen bis zu ca. 14 K und ein Frequenzspektrum von 300 kHz bis 20 GHz. Bestätigt werden konnte, dass die Intensität der Oszillationen gleichermaßen von der Probentemperatur und der verwendeten Leistung der Mikrowellenstrahlung abhängt, nicht jedoch von dessen Zeitfrequenz. In dieser Arbeit konnte die Ursache der genannten Schwingungen stehenden Wellen in den zur Probe führenden Koaxialkabeln zugeordnet werden. Dies wird unter anderem durch die lineare Zunahme der Zeitfrequenz als Funktion einer steigenden Kabellänge in Abbildung 5.17 deutlich bestätigt. Durch die Ausbildung der bereits erwähnten Stehwellen nur bei diskreten Frequenzen der Mikrowellen heizt sich die Probe für diese auf und bleibt kälter bei Frequenzen, die nicht zur Kabellänge passen. Diese Aquivalenz des Reflexions-spektrums mit der Temperatur ist stellvertretend mit dem Gleichstromwiderstand statt der Temperatur in Abbildung 5.20 zu sehen. Da diese Erklärung der Oszillationen sich nicht auf eine supraleitende Reflexionscharakteristik im Speziellen beruft, wurde neben dem bisher verwendeten NbTiN auch der Supraleiter YBCO auf die gleiche Art gemessen. Dies führte zu denselben Ergebnissen, die jedoch nicht so stark wie bei den NbTiN-Proben ausgeprägt waren. Um letztendlich die völlige Unabhängigkeit von supraleitenden Übergängen zu zeigen, wurden eine defekte Magnesiumdiborid-Probe, deren Gleichstromwiderstand mit sinkender Temperatur steigt, und eine Vanadiumdioxid-Probe, die bei ca. 67°C einen Übergang vom Isolator zum metallischen Leiter aufweist, ebenfalls gemessen. Auch hier traten dieselben Oszillationen mit denselben Zeitfrequenzen wie bei den supraleitenden Proben auf. Der Effekt dieser Schwingungen beruht also lediglich auf einem großen Gradienten des Gleichstromwiderstandes als Funktion der Temperatur, nicht jedoch auf supraleitenden Effekten. Sowohl bei Messungen aus dem eigenen Institut als auch bei Messungen externer Institute traten bei verschiedensten Supraleitern ebenfalls die gleichen Reflexionsoszillationen nahe der kritischen Temperatur auf. Dadurch, dass alle Kalibrierungsmessungen für Corbino-Messungen mit Materialien durchgeführt werden, deren Widerstand als Funktion der Temperatur konstant bleibt, ist es mit einer herkömmlichen Open-Short-Load-Kalibrierung nicht möglich, diese Oszillationen auszulöschen, da keine der drei Referenzmessungen einen derartigen Sprung in der Widerstandskurve aufweist. Eine Möglichkeit, die spektrumsverzerrenden Schwingungen dennoch loszuwerden, ist die Methode der sogenannten Powerflatness, die bei einigen Netzwerkanalysatoren eingestellt werden kann. Sie sorgt regeltechnisch mittels eines Leistungssensors dafür, dass an der Probe für jeden Frequenzpunkt die gleiche Leistung ankommt. Es ist somit nicht mehr die Ausgangsleistung des Netzwerkanalysators konstant, sondern die Leistung an der Probe selbst. Die Stehwellen an sich werden damit zwar nicht unterbunden, jedoch deren Intensität so variiert, dass deren Ausprägungsstärke in das kontinuierliche Leistungsspektrum passt und die Reflexionscharakteristika der Probe nicht mehr durch Temperaturschwankungen verfälscht werden. Da jedes Kabel jedoch seine eigene spezifische Oszillationsperiodenlänge besitzt, musste die Powerflatness für jeden Kabeltypen neu kalibriert werden.
Open Access
Irradiation-dependent topology optimization of metallization grid patterns and variation of contact layer thickness used for latitude-based yield gain of thin-film solar modules
(2022) Zinßer, Mario; Braun, Benedikt; Helder, Tim; Magorian Friedlmeier, Theresa; Pieters, Bart; Heinlein, Alexander; Denk, Martin; Göddeke, Dominik; Powalla, Michael
We show that the concept of topology optimization for metallization grid patterns of thin-film solar devices can be applied to monolithically integrated solar cells. Different irradiation intensities favor different topological grid designs as well as a different thickness of the transparent conductive oxide (TCO) layer. For standard laboratory efficiency determination, an irradiation power of 1000W/m2is generally applied. However, this power rarely occurs for real-world solar modules operating at mid-latitude locations. Therefore, contact layer thicknesses and also lateral grid patterns should be optimized for lower irradiation intensities. This results in material production savings for the grid and TCO layer of up to 50 % and simultaneously a significant gain in yield of over 1%for regions with a low annual mean irradiation.
Open Access
Microwave investigations on SrTiO3-based materials at mK temperatures
(2018) Zinßer, Mario
Strontiumtitanat (STO) ist ein Halbleiter, der unter einer bestimmten n-Dotierung bei Milli KelvinTemperaturen (mK) einen Phasenübergang in den supraleitenden Zustand aufweist. Es war damit einer der ersten ”supraleitenden Halbleiter” und zugleich der erste Oxid-Supraleiter, der unter anderem die mit dem Nobel-Preis 1987 ausgezeichnete Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern vorantrieb. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal ein sogenanntes dome-förmiges Verhalten als Funktion der Dotierung festgestellt, welches durch eine Reduktion an Sauerstoffatomen oder eine Ersetzung von Titanatomen durch Niobatome (Nb-STO) erzielt wird. Die hierfür benötigten Ladungsträgerdichten und die damit verbunden Energieskalen sind verhältnismäßig klein und schränken damit die Anzahl an möglichen Kopplungsmechanismen der Cooperpaare erheblich ein. Dies ist nicht in Einklang mit der BCS-Theorie zu bringen und bis zum heutigen Tag nicht vollständig verstanden, weshalb STO ein aktuelles Forschungsthema darstellt. An der Grenzschicht zu Lanthan Aluminiumoxid (LAO) weist STO ein zweidimensionales Elektronengas extrem mobiler, freier Ladungsträger auf, das ebenfalls einen supraleitenden Ubergang bei mK- Temperaturen zeigt. Wie auch in STO selbst ist die Supraleitung dort dome-förmig und entstammt mehreren elektronischen Bändern. Diese Arbeit soll unter anderem auch zum Verständnis der Supraleitung an der LAO-STO-Grenzschicht beitragen. Hierfür sollen die elektronischen Bandeigenschaften und mit besonderem Schwerpunkt die effektiven Massen der bei mK-Temperaturen zur Supraleitung beitragenden Elektronen untersucht werden. Zur direkten Messung dieser bietet sich die Methode der Zyklotronresonanz an, bei der durch ein extern angelegtes Magnetfeld Leitungselektronen in definierte Laundauniveaus gequantelt werden und deren Ubergang mit entsprechenden Energien im µeV-Bereich angeregt wird. Eine der Hauptherausforderungen dieser Messmethode liegt in der Notwendigkeit einer höheren Messfrequenz als die Streurate, was nur für sehr reine Metalle im genannten Energiebereich erreicht werden kann. Die hierzu nötige Mikrowellenstrahlung wird mittels koplanarer und streifenleitenden Wellenleitern übertragen und deren Transmissionssignal analysiert. Um ein entsprechendes, der Zyklotronresonanz zuzuschreibendes Messsignal vorzufinden, wurden mehrere Experimente durchgeführt. Eines von diesen beinhaltet Anzeichen eines Zyklotron-Messsignals. Obwohl dieses Ergebnis nicht reproduziert werden konnte und damit dessen Verlässlichkeit in Frage zu stellen ist, gingen Messwerte aus dieser hervor, die effektive Massen zwischen 3 und 4 Elektronenmassen und Streuraten zwischen 9 und 10 GHz ergaben, was mit publizierter Literatur in Einklang steht. Außerdem wurden Messungen der komplexen, optischen Leitfähigkeit innerhalb des supraleitenden domes von Nb-STO durchgeführt. Mit diesen ist es möglich, zwei zur effektive Masse korrelierte Kohärenzlängen zu bestimmen und dadurch das Verhältnis beider Massen der zur Supraleitung beitragenden Elektronen zu bestimmen. Darüber hinaus wurden diese Daten noch genutzt, um einige andere charakteristische Eigenschaften wie die mittlere, freie Wegl¨ange, die Fermigeschwindigkeit von beiden supraleitenden Bändern und die suprafluide Dichte zu bestimmen. Letztere wurde zur Berechnung der London’schen Eindringtiefe und des Ginzburg-Landau-Parameters genutzt, die die Zugehörigkeit zur Klasse der Typ-II-Supraleiter von Nb-STO bestätigen. Des Weiteren legt der Vergleich der Kohärenzlänge mit der mittleren freien Weglänge und die Einordnung von Nb-STO in das Home’sche Gesetz ein dirty limit-Verhalten für Supraleiter nahe. All diese Eigenschaften sind starke Anzeichen für ein Mehrband-Supraleiter mit lediglich einer Energielücke in Nb-STO.