Methods and Facilities / Methoden und Ausstattung

Experimental Methods

Overview

Hall-Magnetometry

The fundamental principle of micro-Hall magnetometry is depicted in the figure below. A magnetic sample on the sensor surface creates a magnetic stray field which penetrates the sensor material and, in particular, a two-dimensional electron gas (2DEG) located about 100 nm below the surface. When a current is applied across this electrically conducting cross-shaped structure, the perpendicular component of the magnetic stray field arising from the sample will lead to a deflection of the electrons. Therefore, perpendicular to the current flow direction, a Hall-voltage proportional to the stray field component can be measured. Thanks to the possibility of patterning the Hall devices micro- and nanoscopically, and, due to the high mobility of the 2DEG, the Hall sensors based on GaAs/AlGaAs are extremely sensitive. Consequently, high-resolution measurements of individual magnetic micro- and nanoparticles are facilitated.

Figure shows the basic principles of micro-Hall magnetometry (left) and an electron microscope image of a CrO2 microcrystal placed on the surface of a Hall sensor (right).

Fluctuation Spectroscopy

Why is it interesting and instructive to study the fluctuations of a physical quantity and, in particular, the electronic noise in solid matter? The anwer lies in the fact that the time-dependent signal (i.e., the fluctuations of a physical variable) contains hidden valuable information about the intrinsic dynamic properties of charge carriers. Fluctuations are a purely random (statistical) phenomenon, but, however, the power spectral density S of the fluctuations is a non-random stationary quantity which is related to the so-called autocorrelation function of the fluctuating variable via a Fourier transform. By measuring the power spectral density of the sample's conductivity fluctuations one can gain access to the current-current correlation function which describes the microscopic charge carrier kinetics.

Figure shows an example for a fluctuating voltage signal (left) and the corresponding calculated noise spectrum which is of a 1/f type (right).

Experimental Facilities

Gallery

Experimentelle Methoden

Überblick

Hall-Magnetometrie

Das grundlegende Prinzip der Mikro-Hall-Magnetometrie ist vereinfacht in der Abbildung oben auf der Seite dargestellt. Eine magnetische Probe auf der Sensoroberfläche erzeugt ein magnetisches Streufeld, welches das Sensormaterial und ein etwa 100 nm unterhalb der Oberfläche liegendes zweidimensionales Elektronengas (2DEG) durchdringt. Wird an diese, in Form eines Kreuzes strukturierte, elektrisch leitfähige Schicht ein Strom angelegt, so bewirkt die senkrechte Komponente des magnetischen Streufelds der Probe eine Ablenkung der Elektronen. Dadurch baut sich senkrecht zur Stromrichtung eine Hall-Spannung auf, die als Messsignal dient. Aufgrund der Möglichkeit, die Hall-Sonde mikro- und nano zu strukturieren und der hohen Beweglichkeit des 2DEG, weisen die Hall-Sensoren basierend auf GaAs/AlGaAs enorm hohe Empfindlichkeiten auf, so dass damit einzelne magnetische Mikro- und Nanoteilchen untersucht werden können.

Fluktuationspektroskopie

Warum möchte man Fluktuationen einer physikalischen Größe und insbesondere das elektronische Rauschen in Festkörpern zu untersuchen? Der einfache Grund besteht darin, dass in dem zeitabhängigken Signal, d.h. den Fluktuationseigenschaften, wertvolle Informationen über die intrinsischen dynamischen Eigenschaften der Ladungsträger "verborgen" sind. Fluktuationen sind zufällig (statistisch); die spektrale Leistungsdichte S der Fluktuationen allerdings ist eine nicht-zufällige, statistisch stationäre Größe, die wiederum mit der sog. Autokorrelationsfunktion der fluktuierenden Größe verknüpft ist (über eine Fourier-Transformation). Wird die spektrale Leistungsdichte der Leitfähigkeits-Fluktuationen einer Probe gemessen, so erhält man indirekt Zugriff auf die Strom-Strom-Korrelationsfunktion, die die mikroskopische Kinetik der Ladungsträger beschreibt.

Laborausstattung

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Kontakt

Prof. Dr. Jens Müller

Physikalisches Institut
Physik, Campus Riedberg
Raum _ _.326
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60438 Frankfurt am Main
T  +49 69 798 47274
F  +49 69 798 47277
Jens Müller

 

Administration

Birgit Scherff

Physikalisches Institut
Physik, Campus Riedberg
Raum _ 0.321
Max-von-Laue-Straße 1
60438 Frankfurt am Main
T  +49 69 798 47242
F  +49 69 798 47250
Birgit Scherff