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Quasikristalle im System Zink-Magnesium-Seltene-Erden : Materialpräparation und Einkristallzüchtung
(2005)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Materialpräparation und Einkristallzüchtung von Quasikristallen und verwandten Verbindungen im System Zink-Magnesium-Seltene-Erden (Zn-Mg-SE). Für eine Einkristallzüchtung der hochgeordneten primitiv-ikosaedrischen Phase (si Zn-Mg-Ho) wird zuerst eine geeignete Schmelzzusammensetzung ermittelt, aus der si Zn-Mg-Ho primär erstarrt. Es wird gezeigt, daß sich diese auch auf die Seltenen Erden Erbium und Thulium, die einen ähnlich großen Atomradius haben, übertragen läßt. Bei der Verwendung von Seltenen Erden mit größerem Atomradius bildet sich eine bisher unbekannte rhomboedrische Phase mit einer Zusammensetzung von Zn84Mg5SE11, von der im Zn-Mg-Gd--System Einkristalle mit der Bridgman-Methode in einem geschlossenen Tantaltiegel gezüchtet werden. Die Kristallzüchtung von si Zn-Mg-Ho erfolgt sowohl mit der Bridgman-Methode als auch aus einem offenen Tiegel mit Keimvorgabe von oben, wobei die Schmelze mit einer Salzabdeckung vor Verdampfungsverlusten geschützt wird (LETSSG-Methode). Auf diese Weise werden facettierte Einkristalle mit einer Kantenlänge von über einem Zentimeter gezüchtet. Auch von der flächenzentriert-ikosaedrischen Phase im System Zn-Mg-Y, Zn-Mg-Ho und Zn-Mg-Er sowie von der hexagonalen Zn-Mg-Y--Z-Phase werden mit dieser Methode ähnlich große Einkristalle hergestellt. Zur Synthese von größeren Mengen polykristallinen Materials durch Abschrecken und Tempern wird eine Meltspinanlage aufgebaut, die durch die Verwendung eines ebenen Drehtellers (statt des sonst üblichen Rades) sehr kompakt ist und in eine vorhandene Metallschmelzanlage integriert werden kann. Mit diesem Gerät wird quasikristallines si Zn-Mg-Ho einphasig synthetisiert und dekagonales Zn-Mg-Dy, Zn-Mg-Ho und rhomboedrisches Mg21Zn25 als Probenhauptbestandteil hergestellt. Die erzeugten Proben werden zur Untersuchung von Struktur und physikalischen Eigenschaften an Kooperationspartner weitergegeben. Dabei wird ein lokales Strukturmodell der fci und si Quasikristalle mittels Analyse der Atompaarverteilungsfunktionen, die aus Röntgenpulverdaten (Molybdän- und Synchrotronstrahlung) gewonnen werden, entwickelt. Anhand dessen lassen sich erstmals ikosaedrische Cluster in den Quasikristallen eindeutig nachweisen. Die magnetische Suszeptibilität von si Zn-Mg-Ho zeigt bis zu einer Temperatur von 50~mK paramagnetisches Verhalten. Eine magnetische Fernordnung tritt bis zu dieser Temperatur nicht auf. Untersuchungen mit der Radio-Tracer-Methode zeigen, daß Phasonen an der Diffusion in fci Zn-Mg-Y und Zn-Mg-Ho nicht beteiligt sind.
Ziel dieser Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von Zn-Mg-SE-Legierungen (SE = Y, Ho, Er, Dy, Tb, Gd), um Informationen über Struktur, Stabilisierung und physikalische Eigenschaften der quasikristallinen Phasen dieses Systems zu erhalten. Die Quasikristalle dieses Systems unterscheiden sich von Quasikristallen anderer Legierungen, die meist Al als Hauptkomponente enthalten. Es konnten bis zu 275 mm3 große Einkristalle der flächenzentriert ikosaedrischen Phase in den Systemen Zn-Mg-Y und Zn-Mg-Ho gezüchtet werden. Außerdem wurden MgZn2- und hexagonale A-Zn70Mg14Y16-Einkristalle hergestellt, deren Existenzbereiche im Phasendiagramm benachbart zu dem der ikosaedrischen Phase liegen. Um polykristalline Proben herzustellen, die unterschiedliche quasikristalline oder verwandte Strukturen als Hauptphase enthalten, wurden verschiedene Herstellungsverfahren getestet und verwendet. So konnte zum Beispiel erstmalig eine Probe hergestellt werden, die dekagonales ZnMgY als Hauptphase enthält. Zudem wurde eine neue kubische (R-Phase) bzw. hexagonale (M-Phase) und eine neue hochgeordnete primitiv ikosaedrische Phase im System Zn-Mg-Er entdeckt, synthetisiert und charakterisiert. Bei Untersuchungen dieser selbst gefertigten Proben konnten Erkenntnisse über magnetische Eigenschaften, elastische Konstanten, optische Leitfähigkeit, Leerstellenverteilung, Oberflächenbeschaffenheit, Diffusionsmechanismen und die Erstarrungsgeschichte der flächenzentriert ikosaedrischen Zn-Mg-SE-Quasikristalle gewonnen werden. Durch vergleichende Messungen an kristallinen Zn-Mg-SE-Legierungen lassen sich die für Quasikristalle spezifischen Effekte identifizieren. Die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten und charakterisierten Proben sind aktuell Gegenstand weiterer Untersuchungen. Mit Hilfe von Beugungsexperimenten konnte gezeigt werden, dass die kubische R-Phase strukturell nahe mit der ikosaedrischen Phase im System Zn-Mg-SE verwandt ist. Die R- Phase ist bei Raumtemperatur nicht stabil und bildet die rhomboedrische M-Phase. Es konnte ein Strukturmodell für die R-Phase entwickelt werden, in dem keine ikosaedrischen Cluster als Strukturelement verwirklicht sind. Auch in der hexagonalen A-Phase konnten solche Strukturelemente nicht gefunden werden. Die Resultate dieser Arbeit legen nahe, dass die Struktur der Zn-Mg-SE-Quasikristalle, im Gegensatz zu Quasikristallen anderer Systeme, nicht auf großen ikosaedrischen Clustern basiert. Damit ist gezeigt, dass große ikosaedrische Cluster zur Bildung von Quasikristallen nicht notwendig sind. Messungen an den Proben zeigen, dass sich dadurch auch einige der physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel die optische Leitfähigkeit, von Quasikristallen mit Clustern unterscheiden. Keine Unterschiede konnten beim Diffusionsverhalten und bei mechanischen Eigenschaften festgestellt werden. Hier gleichen die Zn-Mg-SE-Quasikristalle anderen strukturell komplexen Legierungen oder Quasikristallen anderer Legierungssysteme.
In the field of strongly correlated electron systems, there is a long standing discussion on whether lattice degrees of freedom play a role for several physical phenomena, among them the Mott MI transition and charge-ordering transition. Charge-transfer salts of the ..-(BEDT-TTF)2X and (TMTCF)2X families have been revealed as model systemss for the study of the latter phenomena. The (TMTCF)2X salts have been recognized as model systems for studying correlation effects in 1D, while the (BEDT-TTF)-based materials for such studies in 2D. In this work, high-resolution dilatometry experiments were performed in order to address these issues. The main results obtained are summarized below. ...
Towards a THz Bloch laser
(2011)
The realisation of tunable THz laser sources working at room temperature would give
rise to further applications in this range of the electromagnetic spectrum. The THz
Bloch laser could therefore become the basis for a technological breakthrough. Beside
this practical relevance, the physics of the gain mechanism has been investigated
theoretically for a long time and the experimental implementation of a self-starting
laser still has not been achieved.
At the beginning of this thesis the basic principles of Bloch oscillations and the
related Bloch gain are described. The need of a superlattice structure to make Bloch
oscillations possible in a semiconductor material is discussed. In this context, the effect
of negative differential resistance and its influence on the field distribution due to Gunn
domains is explained. The latter lead to an inhomogeneous field which may suppress
the Bloch gain mechanism. The Krömer criterion is introduced and the concept of
field-pinning layers to improve the field homogeneity is deduced. Finally, the design of
the laser material is shown and different types of laser waveguides are compared.
In chapter 3 detailed recipes for the processing of samples are given. Different types of
contacts (ohmic and Schottky), the wafer bonding process required for double-metal
lasers and the application of different photoresists for different purposes are described.
An explanation of the formation of waveguides due to dry etching, wet etching
and ion implantation follows. Dry etching is an established technique in the field
of microstructure processing but the challenge of etching about 20 μm has led to
problems. The high etching depth also makes wet etching difficult but this method
could be improved due to a hard bake of the photoresist. The protection of critical
areas on the surface of the samples with photoresist during ion implantation was
increased by optimising the spin coating process. However, a full implantation of the
active layer between the waveguides was not achieved which was the reason for the
development of the hybrid technology. Here a prior wet etching of about 10 μm is
performed and the rest of the material is implanted.
The experimental setup is shown in chapter 4. An alternative method for the electrical
contacting with the help of a copper bar is introduced. This improves the current
distribution and the risk of an electrical breakdown during the measurements could
therefore be lowered. Devices for THz beam guidance and spectroscopic measurements
are shown and the method of biasing the samples with pulses below 100 ns and
determining the effective voltage applied to the sample is depicted. These short pulses
are required to prevent the samples heating up drastically due to high power.
Chapter 5 contains the current-voltage characterisation of several structures including
I-V-samples, Bloch laser samples and a quantum cascade laser. Different contacts
(ohmic and Schottky) and different techniques for the formation of the ridges have
been used in the processing of these samples (performed at the University of Frankfurt
in all cases) and their influence on the I-V-dependence is discussed. The properties of
the THz emission of the quantum cascade laser are in good agreement with published
results from lasers processed with the same material. Another important result of
this chapter is that the Bloch laser samples show unstable behaviour compared to the
quantum cascade structure even with short pulses (of about 10 ns) where the risk of an
electrical breakdown or the building of filaments is low. THz radiation emitted from
one of the Bloch laser samples could not be observed.
Two aspects that may have prevented the Bloch laser to emit are discussed in
chapter 6. The saturation of the gain for higher amplitudes of the THz wave is
investigated in single mode and multiple mode operation (the latter could occur due
to the Bloch gain being expected to be broadband). In both cases it is shown that
the saturation effect would limit the output power only to values clearly above the
detection limit. In the subsequent section the distribution of the electric field is
simulated with SILVACO software. Structures with transit layer lengths above the
Krömer criterion are compared with structures which include field-pinning layers. It is
shown that the latter are useful to avoid propagating Gunn domains as they build up
in similar structures without field-pinning layers. Nevertheless, the electric field inside
the superlattice regions is not stable. Beside spatial inhomogeneities also temporal
variations of the field magnitude are observed. The lack of a suitable field distribution
is expected to be the main reason for the samples not to work.
Magnetic characteristics of metal organic low-dimensional quantum spin systems at low temperatures
(2010)
In dieser Arbeit wurden neue Klassen von niedrigdimensionalen metallisch-organischen Materialien untersucht, die es ermöglichen interessante quantenkritische Phänomene (quantum critical phenomena, QCP) wie die Bose-Einstein-Kondensation (Bose-Einstein condensation, BEC) der magnetischen Anregung in gekoppelten Spin-Dimer-Systemen, den Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Übergang (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition, BKT) und die Divergenz des magnetokalorischen Effekts (magnetocaloric effect, MCE) in Quanten-Spinsystemen beim Anlegen eines magnetischen Feldes zu beobachten. Die Niedrigdimensionalität der untersuchten Systeme war sowohl für die theoretische Beschreibung, als auch für die experimentelle Beobachtung der Phänomene von großer Bedeutung. Aus theoretischer Sicht eröffnet die Beschäftigung mit diesen Systemen die Möglichkeit, einfache Modelle zu entwickeln, die exakt lösbar sind und erlaubt somit ein qualitatives Verständnis der magnetischen Phänomene. Von experimenteller Seite ist es von größtem Interesse, dass durch das Zusammenspiel von Niedrigdimensionalität, konkurrierenden Wechselwirkungen und starker Quantenfluktuation exotische und aufregende magnetische Phänomene (quantenkritische Phänomene) entstehen, die mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht werden können. Um die intrinsischen Eigenschaften der quantenkritischen Phänomene zu verstehen ist es wichtig, die Phänomene an einfachen und gut kontrollierbaren niedrigdimensionalen Modellsystemen wie ein- oder zweidimensionalen Systemen zu untersuchen. ...
In der modernen Festkörperphysik spielen elektronisch stark korrelierte Systeme mit ihrem komplexen Vielteilchenverhalten eine zentrale Rolle. Insbesondere das Wechselspiel zwischen thermischen und Quantenfluktuationen in den Ladungs- und Spinfreiheitsgraden führt zur Entstehung verschiedenster neuartiger Grundzustände.
Die vorliegende Dissertation „Ultrasonic and Magnetic Investigations in frustrated Lowdimensional Spin Systems“ beschäftigt sich mit den besonderen physikalischen Eigenschaften niedrig dimensionaler Spinsysteme. Diese Materialklasse, die auch zu den stark korrelierten Systemen zählt, wird seit vielen Jahren intensiv sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Auf theoretischer Seite sind die niedrigdimensionalen Spinsysteme besonders interessant, da sie als Modellsysteme die exakte Beschreibung des Grundzustandes und des Anregungsspektrums ermöglichen. Von experimenteller Seite ist es in den letzten Jahrzehnten gelungen, verschiedenste Materialklassen niedrigdimensionaler Spinsysteme zu synthetisieren.
In der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden Theorien und physikalischen Konzepte niedrigdimensionaler Spinsysteme diskutiert. Insbesondere auch die Spin-Phonon-Wechselwirkung dieser Materialien, die für die hier beobachteten elastischen Anomalien verantwortlich ist. Weiterhin wird auch das elastische Verhalten bei magnetischen Phasenübergängen beschrieben.
Da die Ultraschallexperimente einen Schwerpunkt dieser Arbeit bilden, wird der Versuchsaufbau zur phasenempfindlichen Detektion von Schallgeschwindigkeit und Ultraschalldämfung ausführlich beschrieben. Diese Messmethode ist ideal zur Untersuchung der Spin-Phonon Wechselwirkung geeignet.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und der Einkristallzüchtung der beiden Spin-Leiter-Verbindungen SrCu203 und Sr2Cu3O5 unter hohem Druck. Zunächst wird in einer Reihe von Versuchen ein geeignetes Tiegelmaterial ermittelt. Dabei stellen sich eine Doppeltiegelkonstuktion mit einem einkristallinen Magnesiumoxid-Innentiegel und einem verschweißbaren äußeren Platintiegel als beste Materialkombination heraus. Die Standzeit eines Versuchs lässt sich hiermit von den in der Literatur üblichen 30 Minuten um das 50 bis 100-fache verlängern. Durch Verwendung dieser Tiegelkombination können erstmals Züchtungsexperimente von SrCu203 und Sr2Cu305 aus der Schmelze erfolgreich durchgeführt werden. Für beide Zusammensetzungen konnten Kristalle mit Kantenlängen bis zu 2 mm hergestellt werden. Die besten Wachstumsbedingungen für SrCu203 liegen zwischen 3 und 5 GPa und zwischen 1400°C und etwa 1200°C. Diese Bedingungen wurden für stöchiometrische und auf etwa 70% Cu0 erhöhte Einwaagenzusammensetzungen ermittelt. Für Sr2Cu305 gelten ähnliche Züchtungsparameter. Durch die Züchtungsexperimente wurden neue Phasen, wie eine unbekannte Modifikation von Sr2Cu305 und eine nicht näher identifizierte ,243'-Phase gefunden. Das Auftreten der Fremdphase Sr2Cu02(C03) war zunächst überraschend und klärte sich durch den Herstellungsprozess der MgO-Einkristalle auf. Der Einbau des aus dem Tiegel stammenden gelösten Magnesiums wird in der die Cu203-Schichten trennenden Strontiumschicht erwartet. Damit erlangt es keine Wirkung auf die Spin-Leiter-typischen Effekte. Durch zahlreiche Messungen mit wellenlängendispersiver Röntgenanalyse am Rasterelektronenmikroskop wurden die maßgeblichen Reaktionswege aufgeklärt und die besten Wachtumsbedingungen sowie die Fremdphasenreaktionen ermittelt. Die Ergebnisse der Raman- und IR-Spektroskopie bestätigen das Auftreten der Struktur- beziehungsweise verbindungstypischen 2-Magnonen- und 2-Magnonplus-Phonon-Quasiteilchen. Durch Polarisationsmikroskopie und optische Transmissionsuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei den Proben um Einkristalle handelt. Die thermische Ausdehnung zeigt eine deutliche Anisotropie. Die Achsen in a- und b-Richtung besitzen niedrige und von der C-Richtung deutliche verschiedene lineare Ausdehnungskoeffizienten.
Metalle, die mit kubisch innenzentrierter Struktur oder in dichtesten Kugelpackungen kristallisieren, wandeln sich in guter Näherung ohne Volumenänderung ineinander um. Dieser bereits von Pearson 1972 beschriebene Sachverhalt wird hier als Volumenregel formuliert. Elemente in den genannten Strukturen haben die gleiche Dichte. Mit der für die Abhängigkeit des Bindungsgrades s vom Atomabstand r von Pauling 1947 angegebenen Funktion s(r) = exp((R1 - r)/b) wird aus den Kristallstrukturen der festen Elemente das Atomvolumen berechnet, das das jeweilige Element bei gleicher Bindungswertigkeit in einer dieser Strukturen hat. Dabei werden Strukturen mit höherer Dichte als die kubisch innenzentrierte Struktur oder die dichtesten Kugelpackungen nicht gefunden. Diese und einige weitere Strukturen gleicher Dichte (+- 1%) werden hier als dichte Strukturen bezeichnet. Außer den Edelgasen sind alle Elemente, die mit dichten Strukturen kristallisieren, Metalle, doch haben eine Reihe von Metallen (Mangan, Zink, Cadmium, Quecksilber, Gallium und Zinn) nichtdichte Strukturen. Für diese und für die nichtmetallischen Elemente wird das Atomvolumen ihrer dichten Formen berechnet, d.h. das Volumen, das sie unter Normalbedingungen im dichten (metallischen) Zustand einehmen würden. Ist für ein Element der Bindungsgrad für eine Bindungslänge bekannt, so kann aus diesem das Atomvolumen im dichten Zustand abgeschätzt werden. Aus verschiedenen Strukturen von Nichtmetallen (Phosphor und Schwefel etc.) berechnet sich jeweils in guter Näherung das gleiche Atomvolumen für den dichten Zustand VD. Dies bestätigt die Gültigkeit der Pauling-Funktion. Eine weitere Bestätigung liegt darin, dass für Mangan, Kupfer und Technetium in verschiedenen Strukturen quantenmechanisch berechnete Volumenverhältnisse nach den hier abgeleiteten Beziehungen ebenfalls erhalten werden. Der dichte Zustand der Elemente erscheint hier als ein von der Kristallstruktur unabhängiger Grenzzustand der kondensierten Materie. Bei bekannter Bindungswertigkeit eines Elements können die Parameter R1 und b der Paulingfunktion (Bindungsgrad-Parameter) und damit die Abstandsabhängigkeit des Bindungsgrades berechnet werden. Dies wird für alle s-, p- und d-Elemente durchgeführt. Dabei ergeben sich für die Länge der Einfachbindung R1 Werte, die zum Teil erheblich von den Literaturdaten abweichen. Der Parameter b ist im Gegensatz zu den Literaturangaben nicht konstant, sondern der dritten Wurzel aus VD proportional. Aufgrund derBindungsgrad-Parameter kann derBeitrag vonMetall-Metall-Bindungen zur Wertigkeit in Verbindungen bestimmt werden. Die Volumenverhältnisse von intermetallischen Phasen sowie Hochdruckformen der Elemente werden aufgrund der hier abgeleiteten Beziehungen diskutiert.
In this thesis we report on the high pressure synthesis, crystal growth, structural characterisation and magnetic properties of the cubic vanadate pyrochlores A2V2O7 (with A = Y, Er and Dy). We have found that high pressure is requisite for the stabilization of the selected compounds. For this purpose, a multianvil high pressure apparatus was built in our laboratory and a new multianvil inset (i.e., a ceramic pressure medium and the interior parts) was developed. The multianvil press is based on a hydraulic press with a maximum force of 7.73 MN (corresponds to 788 tons), a Walker type module and a specially designed hydraulic and electric control. Pressure calibration of the multianvil setup was performed by high pressure fixed points (i.e. solid-solid transformation of Bi I-II (2.55 GPa) and Bi II-III (3.15 GPa)). A maximum pressure of 6 GPa was attained using hardened metal anvils (tungsten carbide) with truncation edge length (TEL) of 14 mm and a sample volume of ~ 70 mm3. Heating of the sample in our current multianvil setup (TEL = 14 mm) was achieved by resistive heating of a graphite furnace. Temperatures up to 1500 °C could be obtained at pressures up to 6 GPa. By systematic variation of the synthesis conditions (for instance the operation temperature or the choice of the crucible material) under high pressure and taking into account the well known ternary compounds, when accessing the phase diagram, the cubic vanadate pyrochlores A2V2O7 (with A = Y, Er and Dy) were synthesized successfully. It was found that the oxygen partial pressure is crucial for the formation of the desired pyrochlore phase. Gas-tight platinum crucibles were used as container material for the synthesis of the vanadate pyrochlores. We have investigated, that pressures of the order of 5.0 GPa and temperatures of approximately 1200 °C are necessary for the stabilization of the monophasic samples of the vanadate pyrochlores. Lu2V2O7 could be synthesized under ambient pressure conditions and is used in our studies for comparison purposes. A special graphite furnace was developed for the high pressure crystal growth of the vanadate pyrochlores. For the first time, A2V2O7 (with A = Y, Er and Dy) single crystals with a maximum size of 0.4 mm were grown by using the grain growth method at high pressure and high temperature conditions. The samples (i.e., powders and single crystals) were characterised by single crystal Xray diffraction, X-ray powder diffraction method, Laue method and scanning electron microscopy (SEM). Complementary to the X-ray diffraction methods, infrared absorsoption spectroscopy was used to distinguish between the fluorite and pyrochlore structure. It has been shown that all samples crystallize in a well-ordered cubic structure with the space group F d 3m. The vanadium (+4) content in the samples was determined by oxidative weight gain in air using a thermogravimetric (TG) balance. A structural phase transformation of cubic to tetragonal was observed by differential thermal analysis (DTA) in conjunction with high temperature diffractometry. The magnetic characterisation of the vanadate pyrochlores A2V2O7 (Y, Lu, Er and Dy) was performed by Katarina Removic-Langer in the laboratory of Prof. Dr. M. Lang. All materials studied are ferromagnetic. The ferromagnetic critical temperatures are between 70 and 73 K. In case of Er2V2O7 and Dy2V2O7 an additional increase in the magnetization was observed below 20 K. The increase in the magnetization below 20 K exhibited by Er2V2O7 and Dy2V2O7 originates from the interactions between the two magnetic sublattices (i.e., the rare earth- and the vanadium sublattice).