Titelaufnahme

Titel
Synthese, Einkristallherstellung und Untersuchung der thermoelektrischen Clathrate RExBa8-xAuySi46-y (RE= La, Sm, Yb) / von Andreas Scheicher
Weitere Titel
Synthesis, crystal growth and investigation of the thermoelectric clathrates RExBa8-xAuySi46-y (RE= La, Sm, Yb)
VerfasserScheicher, Andreas
Begutachter / BegutachterinProkofiev, Andrey
ErschienenWien 2016
Umfangvi, 80 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Univ., Diplomarbeit, 2016
Anmerkung
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zusammenfassung in englischer Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Clathrate / Thermolektrizität / Seltenerdelemente
Schlagwörter (EN)Clathrates / Thermolectricity / Rare earth elements
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-5512 Persistent Identifier (URN)
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Synthese, Einkristallherstellung und Untersuchung der thermoelektrischen Clathrate RExBa8-xAuySi46-y (RE= La, Sm, Yb) [12.85 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit wurden seltenerdhaltige Klathrate RExBa8-xAuySi46-y (RE = La, Sm, Yb) unter verschiedenen Aspekten untersucht. Das beinhaltet die Einkristallherstellung und in weiterer Folge die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften, die Weiterentwicklung der Kristallherstellungstechnik und die Voruntersuchungen einer Dotierung zur kontrollierbaren Modifikation der Eigenschaften. Ein La-haltiges Klathrat von n-Typ wurde hergestellt und untersucht. Dieses dient als Referenzmaterial zum Klären der Rolle der 4f-Elektronen im erhöhten Seebeckkoeffizienten eines Ce-haltigen Klathrates. An einem CexBa8-xAuySi46-y n-Typ Klathrat wurde ein um 50% erhöhter Seebeck Koeffizient als bei vergleichbaren Ba8AuySi46-y Proben gemessen [1]. Um die Behauptung zu überprüfen, dass dies an den 4f-Elektronen liegt, wurde ein LaxBa8-xAuySi46-y n-Typ Klathrat Einkristall hergestellt und seine Transporteigenschaften untersucht. Die Interpretation der Messungen dieser Probe bestärkt die Annahme, dass die Ursache des erhöhten Seebeck Koeffizienten eines CexBa8-xAuySi46-y Klathrates an den 4f- Zuständen liegt. Darüber hinaus hat die Probe hohe thermoelektrische Werte gezeigt: einen Power Factor von 23WK^-2cm^-1 und einen ZT Wert von 0, 52. An einer Reihe von Klathrateinkristallen, die kurz davor am Münchener Forschungsreaktor untersucht wurden, wurden elektrischer Widerstand, Hall Koeffizient, Hall Mobilität und Ladungsträgerkonzentration von 2 bis 300 K gemessen. Diese Klathrate haben die Zusammensetzungen Ba8AuySi46-y, LaxBa8-xAuySi46-y und CexBa8-xAuySi46-y. Die Messergebnisse wurden mit denen der hergestellten LaxBa8-xAuySi46-y Probe verglichen. Durch Dotieren mit Al und Zn soll eine Möglichkeit um mehr Kontrolle über den Klathratherstellungsprozess zu erlangen gestestet werden. Basierend auf dem hergestellten La-haltigen Klathrat, wurde ein Al-dotiertes Klathrat synthetisiert. Dies führte zur Ausbildung von zwei koexistierenden Klathratphasen: eine mit höherem Au-Gehalt La0,3Ba7,5Al5,5Au2,6Si38 und eine mit höherem Al-Gehalt La0,3Ba7,5Al10,2Au1,2Si35. Der Versuch hat gezeigt, dass die Ali Konzentration keinen unabhängigen Parameter zur Steuerung der Ladungsträgerkonzentration darstellt. Eine Dotierung mit Zn führte zu keiner ausreichenden Aufnahme von Zn in das Klathrat. Mit der bisherigen Methode der Klathratherstellung konnten bereits Klathrate mit hohem Seltenerdgehalt hergestellt werden, die für Messungen der thermoelektrischen Eigenschaften gut geeignet waren. Dieser Gehalt ist jedoch über den Verlauf des Kristallwachstums nicht konstant. Um große Kristalle mit homogener Zusammensetzung herzustellen, wurde eine neue Technik in der Klathratherstellung getestet. Durch eine Modifikation der Einkristallherstellung im Zonenschmelzverfahren konnte ein Klathrat mit vergleichsweise konstantem Seltenerdgehalt hergestellt werden. Der Kristall beinhaltete allerdings Einschlüsse von Nebenphasen, sodass er sich nicht zum Ausschneiden einer reinen Klathratprobe eignete. Verbindungen der Seltenerdelemente Sm und Yb zeigen oft interessante Eigenschaften aufgrund der großen Rolle der 4f-Elektronen. Diese Elemente können in Valenz 2 oder 3 vorkommen. Darüber hinaus zeigte eine mikroskopische SmxBa8-xAuySi46-y Probe in einer früheren Voruntersuchung einen um 300% erhöhten Seebeck Koeffizienten [2]. Ein makroskopischer SmxBa8-xAuySi46-y Einkristall und zwei YbxBa8-xAuySi46-y Kristalle wurden erstmals hergestellt. Die magnetische Suszeptibilität wurde von 2 bis 300 K gemessen, um in erster Linie eine Aussage über die Valenz von Sm im Klathrat zu machen.

Zusammenfassung (Englisch)

In the process of this diploma thesis, different aspects of rare earth containing Clathrates RExBa8-xAuySi46-y (RE = La, Sm, Yb) were investigated. That includes the single crystal growth and subsequently, the investigation of physical properties, the development of the crystal growth technique and the preliminary investigation of doping in order to modify the crystals properties. A La-containing Clathrate of n-Type was produced and investigated. It serves as a reference material to clarify the role of the 4f-electrons of the enhanced Seebeck coefficient of a Ce-containing Clathrate. A CexBa8-xAuySi46-y Clathrate of n-type was shown to have a 50% enhanced Seebeck coefficient compared to Ba8AuySi46-y samples [1]. To validate the statement, that the reason for this lies in the 4f-electrons, a LaxBa8-xAuySi46-y Clathate was synthesized and its transport properties were investigated. The interpretation of the measurments of this sample confirms the assumption, that the reason for the enhanced Seebeck coefficient of the CexBa8-xAuySi46-y n-type Clathrate lies in the 4f-states. Furthermore, the sample showed good thermoelectric properties: a power factor of 23WK^-2 and a ZT value of 0.52. Of a series of Clathrate single crystals, that were previously investigated at a research reactor in Munich, the electric resistivity, Hall coefficient, Hall mobility and charge carrier concentration were investigated in a temperature range of 2 to 300 K. These Clathrates consist of Ba8AuySi46-y, LaxBa8-xAuySi46-y and CexBa8-xAuySi46-y and were compared with the LaxBa8-xAuySi46-y n-type sample. By doping a Clathrate with Al or Zn, a method for gaining more controll over the Clathrate production was tested. Based on the La-containing Clathrate an Al-doped Clathrate was synthesized. It resulted in the formation of two coexisting Clathrate phases: one has an increased Au content La0.3Ba7.5Al5.5Au2.6Si38, the other one has an increased Al content La0.3Ba7.5Al10.2Au1.2Si35. The experiment showed, that the Al-doping does not lead to an iniii dependent parameter for influencing the charge carrier concentration. A Zn-doped Clathrate showed no significant absorption of Zn into the Clathrate. With the previous way of producing Clathrates, high amounts of rare earth metals could be incorporated into the Clathrate, which led to good measurments of thermoelectric properties. However, the rare earth concentration was not evenly distributed throughout the crystal growth. In order to produce large crystals of homogenous concentration, a new technique of the Clathrate production was tested. With the use of a modified version of the meltingzone- technique, a Clathrate with a more continual rare earth concentration was grown. The crystal contained several non-Clathrate phases, therefore no sample could be cut out. Materials that contain the rare earth elements Sm and Yb often show interesting properties because of their 4f-electrons. Those elements can occur in the valence of 2 or 3. A microscopic SmxBa8-xAuySi46-y sample showed a thermopower that was nearly 300% higher than expected [2]. For the first time a macroscopic SmxBa8-xAuySi46-y single crystal and two YbxBa8-xAuySi46-y crystals were grown. The magnetic properties were measurment from 2 to 300 K, to find out about the valence of Sm in Clathrates.