Titelaufnahme

Titel
Phase instabilities in strongly correlated Ce-Pt-Si materials and superconductivity in novel Ge-based skutterudites Ba,Sr,ThPt4Ge12 / Esmaeil Royanian
VerfasserRoyanian, Esmaeil
Begutachter / BegutachterinBauer, Ernst ; Rogl, Peter Franz
Erschienen2008
Umfang184 S. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2009
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Supraleitung / Phasenrelationen / korreliertes Elektronensystem / Spinfluktuation / Skutterudite / Clathrate / nicht zentrosymmetrisch / Cooper Paar / kritische magnetische Felder / schwache-Kopplung
Schlagwörter (EN)superconductivity / phase relation / correlated electron system / spin fluctuation / skutterudite / clathrate / non-centrosymmetric / Cooper pair / critical magnetic fields / weak-coupling
Schlagwörter (GND)Ternäres System / Cer / Platin / Silicium / Phase <Thermodynamik> / Instabilität / Skutterudite / Clathrate / Supraleitung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-27613 Persistent Identifier (URN)
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Phase instabilities in strongly correlated Ce-Pt-Si materials and superconductivity in novel Ge-based skutterudites Ba,Sr,ThPt4Ge12 [6.67 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kristallographischen und physikalischen Eigenschaften und deren Zusammenspiel ternärer Verbindungen.

Das Ce-Pt-Si System hat auf Grund seiner elektrischen bzw. magnetischen Eigenschaften wie zum Beispiel schweres Fermionen Verhalten, Kondo-Gitter Verhalten, unkonventionelle Supraleitung in nicht zentrosymmetrischer Symmetrie großes physikalisches Interesse hervorgerufen. Kristallwachstum und Synthese der Verbindungen erfordert ausführliches Wissen über Phasenrelationen sowie Kristallstrukturen. Zu diesem Zweck wurden die Phasenrelationen des Ce-Pt-Si Systems für den isothermen Schnitt bei 800c bestimmt.

MPt4Ge12 (M=Ca, Sr, Ba, Eu, Th, U) sind die ersten Mitglieder einer neuen Kategorie von gefüllten Skutteruditen. Für ThPt4Ge12 entwickelt sich Supraleitung unter Tc= 4.75K. Für BaPt4Ge12 und SrPt4Ge12 wurde unterhalb Tc= 5.35K und Tc=5.10K Supraleitung bei mittelstarker Elektron-Phonon Wechselwirkung festgestellt, die den Eigenschaften des Pt-Ge Gerüsts zugeschrieben werden in dem Ge-p Zustände die elektronische Struktur an der Fermi Energie bestimmen. Messungen des elektrischen Widerstandes zeigen, dass EuPt4Ge12 sich erst unterhalb Tm1.7K magnetisch ordnet. Die physikalischen Eigenschaften von UPt4Ge12 werden von Spinfluktuationen bei niedrigen Temperaturen dominiert; sie verhindern magnetische Ordnung bzw. Supraleitung.

Sowohl die oben genannten Skutterudite als auch Clathrate vom Typ I auf Ge-Basis Ba8TxGey (T= Cd, Pd, Pt, Zn) sowie Si Clathrate vom Typ II Ba8ZnxSiy sowie Ba8PtxSiy sind von Interesse für thermoelektrische Anwendungen.

Clathratsysteme Ba8TxGey (T= Cd, Pd, Pt, Zn) in denen T-Atome in die Käfig bildende Struktur eingebaut werden, wurden mittels Kristallchemie, elektrischem und thermischen Transport und Wärmekapazität erforscht. Die Ergebnisse dieser Studie stellen dar, dass die Erhöhung des T-Gehalts die Konzentration von Leerstellen in der Kristallstruktur verringert und das metallische System in Richtung eines Metall-Isolator Übergangs driftet, wodurch die Ladungskonzentration dramatisch fällt.

Die Struktur von M2Pd14+xB5-y (M= Th, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) wurde mittels Einkristallröntgen an Nd2Pd14B5 und Th2Pd14B5 (tetragonale Zelle und Raumgruppe I41/amd, Nr. 141) bestimmt. Dabei wurde eine nahe strukturelle Verwandtschaft mit Sc4Ni29Si10 festgestellt. Studien bei niedrigen Temperaturen zeigen, dass langreichweitige magnetische Ordnung in Gd2Pd14B5 unterhalb 6K existiert. Die Wärmekapazitätsmessungen weisen darauf hin, dass die Pr-Verbindungen als Folge des kristallelektrischen Feldeffekts keinen magnetischen Ordnungszustand besitzen zumindest nicht bis zu 0.4K. Der Gesamtdrehimpuls J= 4 des Pr Ions im Rahmen des CEF Effekte der tetragonalen Kristallstruktur von Pr2Pd14B5 kann einen nicht magnetischen Grundzustand aufgrund eines Singlett- oder eines nicht magnetischen Dublett-Zustandes einnehmen.

Zusammenfassung (Englisch)

The present thesis deals with crystallographic and physical properties of ternary compounds, and connects structural properties with physical behaviour. Besides the fact that many compounds from the Ce-Pt-Si system have shown interesting electrical and/or magnetic properties such as heavy-fermion behavior, Kondo-lattice behaviour, unconventional superconductivity without an inversion center, provoked large interest in the physical properties of Ce-Pt-Si. Crystal growth and bulk material syntheses require detailed knowledge of phase relations as well as crystal structures. Therefor the phase relations were investigated in the ternary system Ce-Pt-Si for the isothermal section at 800C.

Members of a novel class of skutterudites are essentially composed from MPt4Ge12 (M=Ca, Sr, Ba, Eu, Th, U). ThPt4Ge12 develops superconducting under Tc= 4.75K. Below Tc= 5.35K and Tc=5.10K for BaPt4Ge12 and SrPt4Ge12, respectively, electron-phonon coupled superconductivity emerges, ascribed to intrinsic features of the Pt-Ge framework, where Ge-p states dominate the electronic structure at the Fermi energy. Low temperature resistivity studies of EuPt4Ge12 evidence magnetic ordering at Tm1.7K. The physical properties of UPt4Ge12 are dominated by spin fluctuations at low temperatures, preventing magnetic order and SC.

The series of skutterudites mentioned above, as well as Ge-based type I clathrates Ba8TxGey (T= Cd, Pd, Pt, Zn) and the Si-based type II clathrates Ba8ZnxSiy and Ba8PtxSiy compounds are of particular interest for thermoelectric applications.

Ba- and Ge-based clathrate systems Ba8TxGey (T= Cd, Pd, Pt, Zn), where T-atoms substitute for framework atoms, were investigated by means of crystal chemistry, electrical and thermal transport measurements, and heat capacity. The results of this study showed that increasing T-content reduces the concentration of vacancies in the crystal structure and drives the metallic system towards a metal-to-insulator transition, whereby the charge carrier concentration is dramatically reduced.

The structure of M2Pd14+xB5-y (M= Th, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd) was determined by means of X-ray single crystal data for Nd2Pd14B5 and Th2Pd14B5 (tetragonal unit cell and space group I41/amd, No. 141), and was found to be closely related to the structure type of Sc4Ni29Si10.

Studies at low temperatures clearly indicate long range magnetic order in Gd2Pd14B5 below 6 K. Heat capacity measurements evidence that the Pr compound seems not to exhibit a magnetically ordered state, at least down to 0.4K, as a consequence of crystal electric field (CEF) effects.

The total angular momentum J = 4 of the Pr ion in the context of CEF effects of the tetragonal crystal structure of Pr2Pd14B5 can create a non-magnetic ground state due to singlet formation or due to the presence of a non-magnetic doublet.