Haider Haseeb

• This thesis discusses heat and charge transport phenomena in single-crystalline Silicon penetrated by nanometer-sized pores, known as mesoporous Silicon (pSi). Despite the extensive attention given to it as a thermoelectric material of interest, studies on microscopic thermal and electronic transport beyond its macroscopic characterizations are rarely reported. In contrast, this work reports the interplay of both. PSi samples synthesized by electrochemical anodization display a temperature dependence of specific heat 𝐶𝑝 that deviates from the characteristic 𝑇^3 behaviour (at 𝑇<50𝐾). A thorough analysis reveals that both 3D and 2D Einstein and Debye modes contribute to this specific heat. Additional 2D Einstein modes (~3 𝑚𝑒𝑉) agree reasonably well with the boson peak of SiO2 in pSi pore walls. 2D Debye modes are proposed to account for surface acoustic modes causing a significant deviation from the well-known 𝑇^3 dependence of 𝐶𝑝 at 𝑇<50𝐾. A novel theoretical model gives insights into the thermal conductivity of pSi in terms ofThis thesis discusses heat and charge transport phenomena in single-crystalline Silicon penetrated by nanometer-sized pores, known as mesoporous Silicon (pSi). Despite the extensive attention given to it as a thermoelectric material of interest, studies on microscopic thermal and electronic transport beyond its macroscopic characterizations are rarely reported. In contrast, this work reports the interplay of both. PSi samples synthesized by electrochemical anodization display a temperature dependence of specific heat 𝐶𝑝 that deviates from the characteristic 𝑇^3 behaviour (at 𝑇<50𝐾). A thorough analysis reveals that both 3D and 2D Einstein and Debye modes contribute to this specific heat. Additional 2D Einstein modes (~3 𝑚𝑒𝑉) agree reasonably well with the boson peak of SiO2 in pSi pore walls. 2D Debye modes are proposed to account for surface acoustic modes causing a significant deviation from the well-known 𝑇^3 dependence of 𝐶𝑝 at 𝑇<50𝐾. A novel theoretical model gives insights into the thermal conductivity of pSi in terms of porosity and phonon scattering on the nanoscale. The thermal conductivity analysis utilizes the peculiarities of the pSi phonon dispersion probed by the inelastic neutron scattering experiments. A phonon mean-free path of around 10 𝑛𝑚 extracted from the presented model is proposed to cause the reduced thermal conductivity of pSi by two orders of magnitude compared to p-doped bulk Silicon. Detailed analysis indicates that compound averaging may cause a further 10-50% reduction. The percolation threshold of 65% for thermal conductivity of pSi samples is subsequently determined by employing theoretical effective medium models. Temperature-dependent electrical conductivity measurements reveal a thermally activated transport process. A detailed analysis of the activation energy 𝐸𝐴𝜎 in the thermally activated transport exhibits a Meyer Neldel compensation rule between different samples that originates in multi-phonon absorption upon carrier transport. Activation energies 𝐸𝐴𝑆 obtained from temperature-dependent thermopower measurements provide further evidence for multi-phonon assisted hopping between localized states as a dominant charge transport mechanism in pSi, as they systematically differ from the determined 𝐸𝐴𝜎 values.…
• Diese Dissertation befasst sich mit Wärme- und Ladungstransportphänomenen in mesoporösem Silizium (pSi) oder etwas genauer in einkristallinem Silizium, welches mit nanometergroßen Poren durchsetzt ist. Trotz der großen Aufmerksamkeit, die diesem thermoelektrischen Material zuteil wird, wird nur selten über Studien zum mikroskopischen thermischen und elektronischen Transport jenseits seiner makroskopischen Charakterisierung berichtet. Im Gegensatz dazu wird in dieser Studie das Zusammenspiel von beidem untersucht. PSi-Proben, die durch elektrochemische Anodisierung synthetisiert wurden, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme 𝐶𝑝, die vom charakteristischen 𝑇3 Verhalten (bei 𝑇<50𝐾) abweicht. Eine gründliche Analyse zeigt, dass sowohl 3D- als auch 2D-Einstein- und Debye-Moden zu dieser spezifischen Wärme beitragen. Zusätzliche 2D-Einstein-Moden (~3 𝑚𝑒𝑉) stimmen gut mit dem Bosonen-Peak von SiO2 in teilweise oxidierten pSi-Porenwänden überein. 2D-Debye-Moden werden vorgeschlagen, um akustische Oberflächenmoden zuDiese Dissertation befasst sich mit Wärme- und Ladungstransportphänomenen in mesoporösem Silizium (pSi) oder etwas genauer in einkristallinem Silizium, welches mit nanometergroßen Poren durchsetzt ist. Trotz der großen Aufmerksamkeit, die diesem thermoelektrischen Material zuteil wird, wird nur selten über Studien zum mikroskopischen thermischen und elektronischen Transport jenseits seiner makroskopischen Charakterisierung berichtet. Im Gegensatz dazu wird in dieser Studie das Zusammenspiel von beidem untersucht. PSi-Proben, die durch elektrochemische Anodisierung synthetisiert wurden, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme 𝐶𝑝, die vom charakteristischen 𝑇3 Verhalten (bei 𝑇<50𝐾) abweicht. Eine gründliche Analyse zeigt, dass sowohl 3D- als auch 2D-Einstein- und Debye-Moden zu dieser spezifischen Wärme beitragen. Zusätzliche 2D-Einstein-Moden (~3 𝑚𝑒𝑉) stimmen gut mit dem Bosonen-Peak von SiO2 in teilweise oxidierten pSi-Porenwänden überein. 2D-Debye-Moden werden vorgeschlagen, um akustische Oberflächenmoden zu erklären, die eine signifikante Abweichung von der bekannten 𝑇3Abhängigkeit von 𝐶𝑝 bei 𝑇<50𝐾 verursachen. Ein neuartiges theoretisches Modell gibt Einblicke in die Wärmeleitfähigkeit von pSi in Bezug auf Porosität und Phononenstreuung auf der Nanoskala. Die Analyse der Wärmeleitfähigkeit nutzt die Besonderheiten der pSi-Phononendispersion, die durch Experimente mit inelastischer Neutronenstreuung untersucht wurden. Ein mittlerer freier Weg der Phononen von etwa 10 𝑛𝑚, der aus dem vorgestellten Modell extrahiert wurde, wird als Ursache für die um zwei Größenordnungen geringere Wärmeleitfähigkeit von pSi im Vergleich zu p-dotiertem Silizium vorgeschlagen. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass die Porosität selbst eine weitere Verringerung der Wärmeleitfähigkeit um 10-50% verursachen kann. Die Perkolationsschwelle von 65 % für die Wärmeleitfähigkeit von pSi-Proben wird anschließend mit Hilfe eines theoretischen Ansatzes für effektive Medien bestimmt. Temperaturabhängige Messungen der elektrischen Leitfähigkeit lassen einen thermisch aktivierten Transportprozess erkennen. Eine detaillierte Analyse der Aktivierungsenergie 𝐸𝐴𝜎 im thermisch aktivierten Transport zeigt eine Meyer-Neldel-Kompensationsregel zwischen verschiedenen Proben, die auf Multiphononenabsorption beim Ladungsträgertransport zurückzuführen ist. Aktivierungsenergien 𝐸𝐴𝑆, die aus temperaturabhängigen Seebeck-Messungen gewonnen wurden, liefern weitere Beweise für Multiphononen-unterstütztes Springen zwischen lokalisierten Zuständen als dominanten Ladungstransportmechanismus in pSi, da sie sich systematisch von den ermittelten 𝐸𝐴𝜎 Werten unterscheiden.…