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This thesis is concerned with systematic investigations of electronic noise in novel condensed matter systems. Although fluctuations are frequently considered a nuisance, that is, a disturbance limiting the accuracy of scientific measurements, in many cases they can reveal fundamental information about the inherent system dynamics. During the past decades, the study of electronic fluctuations has evolved into an indispensable tool in condensed matter physics.
The focus of the present work lies both in a further development of the fluctuation spectroscopy technique and in the study of materials of current interest. In particular, a comprehensive study of the charge carrier dynamics in the archetypal diluted magnetic semiconductors (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)P was performed. In spite of extensive research work carried out during the last years, there still exists no theoretical consensus on the precise mechanism of ferromagnetic order and the electronic structure in these materials. Moreover, disorder and correlation effects complicate the understanding of these compounds.
Fluctuation spectroscopy experiments presented in this work provide strong evidence that a percolation transition is observed in samples with localized charge carriers, since the normalized resistance noise magnitude displays a significant enhancement around the Curie temperature. In addition, this quantity exhibits a power law scaling behavior as a function of the resistance, which is in good agreement with theoretical models of percolating systems.
By contrast, it was found that the resistance noise in metallic samples is mainly dominated by the physics of defects such as manganese interstitials and arsenic antisites. Furthermore, first noise studies were carried out on hafnia- and yttria-based resistive random access memories. In these memristor devices, the rupture and re-formation of oxygen deficient conducting filaments caused by the electric field and Joule heating driven motion of mobile anions lead to an unusual resistance switching behavior. For the first time, comparative noise measurements on oxygen deficient and stoichiometric hafnium oxide devices, as well as on novel yttrium oxide based devices were performed in this work. Finally, new strategies for noise measurements of highly insulating and extremely low-resistive samples were developed and realized. In detail, an experimental setup for the measurements of dielectric polarization fluctuations in insulating systems was designed and successfully tested. Here, the polarization noise of a sample is measured as current or voltage fluctuations produced within a capacitance cell. The study of dielectric polarization noise allows for conclusions to be drawn regarding equilibrium structural dynamics in insulators such as relaxor ferroelectrics. On the other hand, as successfully demonstrated for a heavy-fermion compound, focused ion beam etching enables to introduce a meander-shaped geometry in single crystal platelets, in order to strongly enhance the sample resistance and thus make resistance noise measurements possible. First results indicate a connection of the noise properties with the Kondo effect in the investigated material.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der strukturellen und magnetischen Charakterisierung von zwei Materialklassen von kupferbasierten zweidimensionalen Quanten-Spin-Systemen: Quadratische Gitter von Dimeren sowie geometrisch frustrierte Kagomé Gitter. In beiden Systemen werden Substitutionen vorgestellt die zu verbesserten Eigenschaften führen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Optimierung der Kristallzüchtung von eisenbasierten Supraleitern. Im ersten Teil lag der Fokus dabei auf der Züchtung der 1111-Verbindung unter Hochdruck/Hochtemperaturbedingungen (HD/HT), sowie der systematischen Untersuchung verschiedener Einflüsse der Züchtung dieser Familie unter Normaldruckbedingungen.
Die HD/HT-Experimente führten unter den gewählten Parametern, sowohl unter der Verwendung eines Flussmittels als auch ohne, nicht zur Stabilisierung der gewünschten Zielphase. Stattdessen kam es zur Phasenseparation So bildete sich immer im Inneren des verwendeten BN-Tiegels ein, häufig kugelförmig ausgeformtes, Gebilde, bestehend aus einer Fe-As-Phase. Dies gilt sowohl für NdFeAsO als auch LaFeAsO1-xFx. Bei der Verwendung von Salz als Flussmittel kam es neben dieser Fe-As-Phase auch häufig zur Bildung einer Cl-haltigen Phase. Auch zeigte sich, dass es zu einer B-Diffusion während des Versuches kam, sodass Selten-Erd-Oxoborate nachgewiesen werden konnten. Durch einen Versuch unter Normaldruckbedingungen zeigte sich, dass dies kein Problem in der Hochdrucksynthese ist, sondern ein grundlegendes Problem bei der Verwendung von BN mit den Selten-Erden ist.
Nachdem gezeigt wurde, dass eine systematische Untersuchung bzw. Optimierung der Züchtungsparameter der 1111-Verbindungen unter HD/HT-Bedingungen enorm schwierig ist, lag der weitere Fokus auf der Züchtung unter Normaldruckbedingungen. Dazu wurde zu Beginn gezeigt, dass die Verwendung von Quarzampullen bei Temperaturen bis zu 1200 °C nicht zu einer zusätzlichen Sauerstoffdiffusion führen. Dies ermöglichte es ohne zusätzliche Schweißarbeit oder hohen Kosten den Optimierungsprozess für ein geeignetes Temperatur-Zeit-Profil durchzuführen. Das so erhaltene Profil wurde anschließen für alle weiteren Versuche verwendet. Mit dieser Basis wurde daraufhin untersucht, welchen Einfluss die Menge an Flussmittel auf die Stabilisierung der Phase und demnach auf die Kristallzüchtung hat. Dabei zeigte sich, dass ein molares Material-zu-Flussmittel-Verhältnis von 1:7 die besten Resultate liefert. Der nächste Optimierungsschritt, die Frage nach einem geeigneten Sauerstoffspender, in Angriff genommen. Bei dieser Frage wurde sich auf einen Sauerstoffspender aus der Gruppe der Eisenoxide konzentriert. Es zeigte sich, dass, für das gewählte Temperatur-Zeit-Profil die Verbindung FeO und Fe3O4 die besten Resultate liefern. In diesen Versuchen ist es gelungen Kristalle zu züchten die Kantenlängen bis zu 800 μm aufweisen. Allerdings zeigten Vergleichsversuche mit einen anderen Temperatur-Zeit-Profil, dass Fe2O3 in diesen Fällen die besten Resultate liefern. Dies macht deutlich, dass es bisher keine vollständige Kontrolle in der Züchtung der 1111-Verbindung gibt. Die Veränderung eines Züchtungsparameters bedeutet, dass auch alle anderen Parameter erneut geprüft werden müssen. Somit zeigte sich, dass eine fundierte und systematische Untersuchung der Züchtungsparameter notwendig ist.
Nachdem die grundlegenden Fragen für die undotierte Verbindung NdFeAsO beantwortet wurden, wurde untersucht, welche Sauerstoff-Fluorspenderkombination bei gegebenem Temperatur-Zeit-Profil optimal für den Kristallwachstum und den Fluoreinbau ist. Die erhaltenen Resultate belegten, dass in diesem Fall Fe3O4 und FeF2 zu den besten Resultaten führte. Die so gezüchteten Kristalle wiesen Kantenlängen bis zu 800 μm auf und Messungen des elektrischen Widerstandes zeigten einen maximalen Tc ≈ 53 K mit einen RRR-Wert im magnetischem Bereich von über 10. Damit unterscheiden sich die gezüchtete Kristalle hinsichtlich ihrer Qualität um den Faktor ~3 von den bisherigen Einkristallen bekannt aus der Literatur.
Durch die Ermittlung des reellen Fluorgehalts der Proben mittels WDX in Kombination mit elektrischen Widerstandsmessungen wurde ein vorläufiges Phasendiagramm erstellt.
Magnetische Messungen unter Normaldruck und Hochdruckbedingungen ermöglichten es die Anisotropie zwischen der ab- Ebene und der c-Ebene zu messen, sowie das Verhalten des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit vom Druck.
Es zeigte sich dabei, dass ab einem Druck von etwa 22.9 GPa die Supraleitung in diesen Kristallen nicht mehr vorhanden ist, und der Kristall wieder normalleitend ist. Mit weiter steigendem Druck steigen die Absolut-Widerstandswerte ebenfalls wieder an, was auf eine mögliche ferromagnetische Ordnung deutet.
Im zweiten Teil der Arbeit lag der Fokus auf einer Verbindung aus der 122-Familie der Pniktide: SrFe2As2. Zu Beginn wurde untersucht, welches der drei gewählten Tiegelmaterialien BN, Al2O3 oder Glaskohlenstoff, für Züchtungen dieser Phase am geeigneten ist. In allen Versuchen konnte die gewünschte Zielphase stabilisiert werden, jedoch kam es bei der Verwendung von Glaskohlenstoff zu Diffusion von Kohlenstoff aus dem Tiegel in die Probe hinein, sodass C-haltige Phasen nachweisbar waren. Ebenso zeigte sich, dass es auch eine Diffusion vom Material in den Tiegel hinein gegeben hat. Diese Probleme traten auch bei der Verwendung von Al2O3 auf. Durch ein Röntgenpulverdiffrakgtogramm konnte eine Al-haltige Verbindung in der Probe nachgewiesen werden. Ein weiterer Nachteil dieses Materials ist die Benutzung des Tiegels durch die Schmelze. Von den drei Materialien erwies sich BN als am besten geeignetes Tiegelmaterial. Es kommt zu keiner Benetzung oder Diffusion, auch der Fremdphasenanteil ist sehr gering in dieser Probe.
Mit diesem Wissen wurde im weiteren Verlauf ein quasi-binäres Phasendiagramm des Systems SrFe2As2-FeAs erstellt. Die intermetallische Verbindung FeAs fungiert hierbei als Flussmittel. Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhand ist die Frage ob das System kongruent erstarrend ist. Diese Frage lässt sich anhand der vorhandenen DTA-kurven nicht eindeutig beantworten, zeigte das System bei Aufheizen keine zusätzlichen Schmelzprozesse, es scheint allerdings, dass es in der Schmelze zu einem Abdampfen von Arsen kommt. Somit verschiebt sich die Zusammensetzung der Schmelze und beim Abkühlen treten zusätzliche Erstarrungsprozesse auf. Die Schmelztemperatur TM wurde so auf T = 1320 °C bestimmt. Mit steigendem Flussmittelanteil verschob sich diese Temperatur zu niedrigeren Temperaturen unter 1200 °C, was eine Züchtung in Quarzampullen wieder möglich macht.
Die Ergebnisse in dieser Arbeit liefern eine fundierte Grundlage für weitere Optimierungen. So ist zum Beispiel der Frage nach dem am besten geeigneten Sauerstoffspender nicht auf die Selten-Erd-Oxide eingegangen worden. Auch ob die Verwendung eines anderen Salzes, wie zum Beispiel den Iodiden für die Züchtung bessere Resultate liefert kann weiterhin untersucht werden.
Nachdem der Schmelzpunkt von SrFe2As2 bestimmt wurde und im quasi-binärem Phasendiagramm ein Eutektikum vorhanden ist, kann mit den weiteren Optimierungsschritten für die Kristallzüchtung dieses Systems begonnen werden. Dazu gehört die Entwicklung eines Temperatur-Zeit-Profils, sowie im nächsten Schritt Züchtungen von dotierten Verbindungen.
This work ties in with the investigation of the intermediate valent states and valence fluctuations in certain europium based intermetallic systems. Valence fluctuations are a property of the electronic system of a compound that is possibly accompanied by structural effects, which, in some cases, are quite noticable. By assuming how the changes in the electronic system and in the crystal lattice are connected, valence _uctuations of europium are believed to be a possible probe for the theory of quantum critical elasticity, which is investigated on by the SFB TRR 288 (Frankfurt, Mainz, Karlsruhe, Bochum, Dresden).
Here, the proceedings in growing single crystals of di_erent compounds related to this _eld of research are reported. This includes the ThCr2Si2 (122) type compounds EuPd2Si2 as well as the doping series EuPd2(Si1-xGex)2, the Europium based ternary Phosphides EuFe2P2, EuCo2P2, EuNi2P2 and EuRu2P2, and attempts to grow compounds of a derived 1144 structure by ordered substitution of half the Europium, EuKRu4P4.
The largest part of this work focusses on the EuPd2Si2 system, which exhibits intermediate valent europium and a temperature dependent transition between two di_erent intermediate valent states of europium. Crystals of this system were grown using the Czochralski method with a levitating melt and an europium excess flux after a two step prereaction process. Also, explorations of a PdSi-rich flux and external flux methods are reported. Ten Czochralski grown experiments, in six generations iteratevely seeded by the previous generation, were prepared.
Thermodynamical and structural analyses of the crystals located the transition between the di_erent intermediate valent states of europium between 140K and 165 K, transitioning from a high temperature Eu2.3+ state to a low temperature Eu2.7+ state, and classified it as a second order transition. To this transition a lattice anomaly of the a-parameter collapsing about 2% is connected, while the c-parameter remains largely unaffected. Large differences between individual samples can be explained by combining thermodynamical and structural analyses with compositional analysis, revealing the valence transition temperature as strongly dependent on the sample composition and Pd-Si site interchanges.
Searching to change the character of the valence transition to first order, silicon was substituted by germanium to introduce negative pressure. Germanium substituted samples of EuPd2(Si1-xGex)2 were grown using the Czochralski method with the optimized parameters from the growth experiments for the undoped compound. Samples were prepared with a nominal substitution of x = 0.05, x = 0.10, x = 0.15, x = 0.20 (twice) and x = 0.30. For the EuPd2(Si1-xGex)2 system, a phase diagram for the europium valence states is derived from chemical and thermodynamical characterizations.
n ternary europium phosphides EuT2P2, the position of the compounds in the generalized phase diagram and the question of long range magnetic order or valence transition appear connected to an isostructural transition of the tetragonal crystal structure, drastically decreasing the length of the c-parameter while establishing covalent bonds between phosphorus atoms of different interlayers of the structure, the so called ‚collapse‘. While EuFe2P2, EuT2P2 and EuCo2P2 display both long range magnetic order and a non-collapsed crystal structure, EuNi2P2 shows both a valence transition between two intermediate valent states at a characteristic temperature of 36K - accompanied by a small lattice anomaly of the a-parameter shrinking about 0.2% - and a collapsed crystal structure. Samples of EuFe2P2, EuCo2P2 and EuNi2P2 were grown in tin flux and using solid-solid sintering approaches.
Single crystals of EuFe2P2, EuCo2P2 and EuRu2P2 were investigated at ESRF in Grenoble with single crystal X-ray di_ractometry on a pressure range up to 15GPa and at temperatures down to 15K to investigate the nature of the structural transitions in the compounds. While in EuCo2P2 the structural transition occurs as a transition of first order at all temperatures (e.g. at 2GPa for 15 K), in EuFe2P2 and EuRu2P2 the structural collapse evolves over a broad pressure range up to 8GPa and as a transition of second order troughout the temperature ranges, albeit seeming to sharpen at lower temperatures. From the crystallographic data, elastic constants of the compounds could be derived, revealing EuFe2P2 and EuRu2P2 as unexpectedly elastic materials.
In order to probe the structural collapse at more accessible pressures, crystals with a sturcture derived from the 122 structure, but with ordered 50% substitution of europium and hence altering the symmetry from I4/mmm to P4/mmm in a 1144 structure, were exploratively pursued. Different experiments to obtain EuAT4P4 (with A = K, Rb, Cs and T = Fe, Ru) from binary or ternary prereactants or directly from the elements remained largely unsuccessful.
Crystal growth and characterization of cerium- and ytterbium-based quantum critical materials
(2018)
In der Festkörperphysik werden heutzutage Themen wie Supraleitung, Magnetismus und Quantenkritikalität sowohl von experimenteller als auch von theoretischer Seite stark untersucht. Quantenkritikalität und Quantenphasenübergänge können in Systemen erforscht werden, für welche ein Kontroll Parameter existiert, durch den z.B. eine magnetische Ordnung soweit unterdrückt wird, bis der Phasenübergang bei Null Kelvin, bei einem quantenkritischen Punkt (QCP), stattfindet. Vorzugsweise wird quantenkritisches Verhalten an Einkristallen untersucht, da diese in sehr reiner Qualität gezüchtet werden können und da deren gemessenen physikalischen Eigenschaften ausschließlich intrinsisch sind und nicht durch Verunreinigungseffekte überlagert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Züchtung von Einkristallen und der Charakterisierung von Materialien, die quantenkritische Phänomene aufweisen. Als Ausgangsstoffe dienten dabei Elemente höchstmöglicher Reinheit. Es wurden die Serie YbNi4(P1-xAsx)2 mit einem ferromagnetischen QCP bei x=0,1, die Verbindung YbRh2Si2 mit einem feldinduzierten QCP bei Bcrit = 60mT und die Serie Ce(Ru1-xFex)PO mit einem QCP bei x = 0,86 untersucht. Für alle Verbindungen wurde das Züchtungsverfahren entwickelt, dann wurden Einkristalle gezüchtet und charakterisiert. Die Züchtung wurde zum einen mittels der Bridgman-Methode, zum anderen mit der Czochralski Methode durchgeführt. Neben struktureller und chemischer Charakterisierung der Einkristalle mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Laue-Methode und Energie-dispersiver Röntgen-Spektroskopie, wurden auch deren spezifische Wärme, elektrischer Widerstand und Magnetisierung im Temperaturbereich 1,8 – 300 K untersucht. Im weiteren Verlauf wurden die Kristalle in verschiedenen Kooperationen untersucht und bis in den Tieftemperatur- Bereich (20 mK), bei YbRh2Si2 bis in den Submillikelvin-Bereich, charakterisiert. Ausserdem wurden im Rahmen dieser Dissertation Einkristalle weiterer antiferromagnetischer Verbindungen SmRh2Si2, GdRh2Si2, GdIr2Si2, HoRh2Si2 und HoIr2Si2 gezüchtet. Bei diesen Verbindungen stand die Untersuchung elektronischer Oberflächenzustände mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie im Vordergrund.
In dieser Arbeit wurden eine Reihe neuer organischer Ladungstransfer (CT)-Verbindungen in Form von Einkristallen und Dünnschichten synthetisiert und grundlegend charakterisiert.
Für die Synthese kamen verschiedene bekannte und bislang unbekannte Donor- und Akzeptormoleküle zum Einsatz. Während einige bekannte Materialien wie TTF und TCNQ kommerziell erworben werden konnten, bestand im Rahmen der Kollaboration mit dem MPI für Polymerforschung zudem Zugang zu mehreren neuen Molekülen wie TMP und HATCN, die besonders mit Blick auf die Möglichkeit zur Dünnschichtpräparation ausgewählt wurden. Auf dieser Grundlage konnten zum einen mittels verschiedener Varianten der Lösungszüchtung erfolgreich neue CT-Komplexe als Einkristalle gezüchtet werden. Dabei kamen mehrere unterschiedliche Lösungsmittel zur Anwendung, die z.T. auch die gezielte Synthese bestimmter Kristallphasen erlaubten. Zum zweiten gelang die Präparation eines Teils dieser Systeme als Dünnschicht über die Methode der Molekularstrahldeposition mit verschiedenen Isolatoren wie SiO2 als Substratmaterial. Hierbei wurde zum Teil zuvor gezüchtetes Material eingesetzt, zum Teil entstand die neue Verbindung erst über diesen Prozess.
Die Proben der neuen Verbindungen wurden zunächst mittels verschiedener Methoden morphologisch und kristallographisch untersucht. Die Kristallzüchtung lieferte in vielen Fällen eine gute Kristallqualität, die sowohl für die Strukturbestimmung als auch die späteren elektrischen Messungen ausreichend war. Die Kristallstruktur konnte für mehrere neue Systeme ermittelt werden und ergab in allen Fällen eine Anordnung mit gemischten Donor-Akzeptor-Stapeln. Für die präparierten Dünnschichten konnte bei einem Großteil der Verbindungen gemäß der Untersuchungen mittels Röntgendiffraktion die gleiche(n) kristalline(n) Struktur(en) wie in den Einkristallen festgestellt werden. Es ließen sich zwei wesentliche Beobachtungen machen: a) Die Morphologie der Schichten besitzt eine ausgeprägte Tendenz zu rauem Inselwachstum; b) In praktisch allen Fällen bilden sich innerhalb der Schicht mindestens zwei stabile CT-Phasen parallel. Beide Verhaltensweisen traten nahezu unabhängig von Substrat, dessen Temperatur, Ausgangszustand (Material vorreagiert oder nicht) und Depositionstemperatur auf.
Die elektronischen Transportmessungen bestanden primär aus temperaturabhängigen Messungen
der elektrischen Leitfähigkeit, während Feldeffektmessungen mit organischen Transistorstrukturen
lediglich den Charakter einer Grundsteinlegung für tiefergehende Untersuchungen mit optimierten Schichten hatten. Die Kryostat-Messungen bis hinunter zu rund 1,5 Kelvin zeigten bei keiner der Verbindungen ein klares Anzeichen für einen Phasenübergang. Die absoluten Werte der Leitfähigkeit bei Raumtemperatur passten qualitativ zu der typischen Erwartung an ein gemischt gestapeltes CT-System, nämlich ein halbleitendes oder isolierendes Verhalten, was durch das arrhenius-artige Temperaturverhalten auch bestätigt wurde.
Dielektrische Messungen mit Kondensatorstrukturen wurden für die neuen Systeme TMP-TCNQ
und ET-DTF in der Dünnschichtform vorgenommen. Im Vordergrund stand dabei die Suche nach neuen Verbindungen, die einen neutral-ionischen Phasenübergang zeigen, der sich im Idealfall durch eine starke, peakförmige Anomalie in der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten bemerkbar machen sollte. Während sich in TMP-TCNQ keinerlei Hinweise auf einen Übergang zeigten, lieferte ET-DTF einen Verlauf, der einen strukturellen
Übergang andeutet, dessen Identität aber noch ungeklärt ist.
Zur Ergänzung wurden mit Hilfe mehrerer Kooperationspartner weitere Untersuchungen zwecks
Charakterisierung der neuen CT-Systeme vorgenommen. Die Bestimmung des Ladungstransfergrades δ mittels IR-Absorption lieferte im Wesentlichen eine Bestätigung der Beobachtung, dass die inspizierten Verbindungen gemischt gestapelte Systeme halbleitender oder
isolierender Natur sind, da δ nur geringe Werte von max. ca. 0,2 zeigte, die für solche Systeme
typisch sind. In ähnlicher Weise bestätigten Bandstruktur-Rechnungen dieses Verhalten, da die Bänder allgemein nur eine eher geringe elektronische Bandbreite zeigten. Zudem ergab sich für die trikline Phase von ET-DTF und das System TMP-F4TCNQ eine deutliche Anisotropie hinsichtlich der Dispersion, da diese erheblich verstärkt entlang der zur Stapelachse des Systems korrespondierenden Richtung des k-Raumes auftritt, also (im Einklang mit den Leitfähigkeitsdaten) 1D-Charakter besitzt. Ein weiterer Beitrag zur Suche nach neuen NI-Verbindungen entstand durch Messung der charakteristischen CT-Absorption einiger Systeme im optischen bzw. IR-Spektrum. In Kombination mit den Werten für Ionisierungsenergie und Elektronenaffinität konnte eine Einordnung in das von Torrance et al. entwickelte, sog. V-Diagramm vorgenommen werden, mit dessen Hilfe sich aussichtsreiche Molekülkombinationen für ein neues NI-System eruieren ließen.
