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Authors: Krewer, Keno Lorenz
Title: Time-resolving electrical conduction in thin iron films
Online publication date: 29-Jun-2020
Language: english
Abstract: This thesis demonstrates the time-resolution of the electrical conduction in 2 to 100 nm thin iron films to the point where the 7 to 30 fs short lag between applied electric field and resulting current is measured with ca. 1 fs accuracy. I achieve this time resolution by improving the method of substrate referenced transmission terahertz time domain spectroscopy by correcting for the thickness difference between the substrate supporting the metal film and the reference substrate. The achieved time-resolution allows measuring how the lag depends on the thickness of the metal film. The significant difference between this thickness scaling of the lag and the thickness scaling of the direct current conductivity disproves Drude’s assumption of a universal relaxation time, which would imply the same scaling of both quantities. Therefore, I derive a description of the conduction dynamics in the framework of the semi-classical Bloch-Boltzmann formalism, resulting in the picture of a distribution of microscopic relaxation times. This picture of a relaxation time distribution allows interpreting the observed lag in terms of the average and the variation of the microscopic relaxation times. The accurate determination of the lag between applied field and resulting current in a metal, adds a second macroscopic observable to electronic transport and the relaxation time distribution picture relates this observable to microscopic relaxation processes in the metal. Thereby the improved substrate referenced transmission terahertz time domain spectroscopy can test microscopic theories of conduction more conclusively and will advance our understanding of transport processes in metals in general and in thin films in particular.
Diese Dissertation demonstriert die Zeitauflösung der elektrischen Leitfähigkeit in 2 bis 100 nm dünnen Eisenfilmen. Die erreichte Auflösung erlaubt den 7 bis 30 fs kurzen Zeitversatz zwischen dem angelegtem elektrischem Feld und dem resultierendem Strom mit etwa 1 fs Genauigkeit zu messen. Ich erziele diese Zeitauflösung, indem ich die Methode der substratreferenzierten Transmissionsterahertzspektroskopie verbessere. Dafür wird der Dickenunterschied zwischen dem Referenzsubstrat und dem Substrat, das den Film trägt, vermessen und der gemessene Zeitversatz um die Auswirkung des Dickenunterschieds korrigiert. Die erreichte Zeitauflösung erlaubt mir, die Abhängigkeit des Zeitversatzes von der Dicke des Metallfilms zu messen. Der signifikante Unterschied zwischen den Dickenabhängigkeiten des Zeitversatzes und der der Gleichstromleitfähigkeit wiederspricht Drudes Annahme einer universellen Stoßzeit, die Leitfähigkeit und Zeitversatz gleichermaßen bestimmt. Daher leite ich eine Beschreibung der elektrischen Transportdynamik im Rahmen des semi-klassischen Bloch-Boltzmann-Formalismus her. Daraus resultiert das Modell einer Verteilung von mikroskopischen Stoßzeiten. Dieses Modell einer Stoßzeitverteilung erlaubt es, den beobachteten Zeitversatz durch den Mittelwert und die Variation der mikroskopischen Stoßzeiten zu beschreiben. Die genaue Messung des Zeitversatzes zwischen angelegtem Feld und resultierendem Strom in einem Metall fügt eine zweite makroskopische Messgröße für elektrische Transportphänomene hinzu. Das Stoßzeitverteilungsmodell verknüpft diese Messgröße mit den mikroskopischen Stoßprozessen im Metall. Dadurch kann die verbesserte substratreferenzierte Transmissionsterahertzspektroskopie mikroskopische Theorien der elektrischen Leitung aussagekräftiger testen und das Verständnis der Transportprozesse in Metallen im Allgemeinen und in dünnen Filmen im Speziellen verbessern.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4945
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: vi, 127 Seiten
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