No description available.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden de Haas-van Alphen-Untersuchungen an den nichtmagnetischen Borkarbidsupraleitern LuNi2B2C und YNi2B2C präsentiert. Aus den Quantenoszillationen in der normalleitenden Phase in Kombination mit Bandstrukturrechnungen konnten Informationen über die verzweigte Fermiflächenarchitektur und über die Elektron-Phonon-Kopplung der Borkarbide gewonnen werden. Die Kopplung ist stark anisotrop und fermiflächenabhängig. Dies spricht für einen Mehrbandmechanismus der Supraleitung in der Materialklasse. Zusätzlich konnten de Haas-van-Alphen-Oszillationen mehrerer Fermiflächen unterhalb von Bc2 tief in der Shubnikov-Phase beobachtet werden. Das Verhalten dieser Oszillationen lässt sich nicht mit bisher bekannten Theorien beschreiben. Allerdings weist das Bestehen der Oszillationen weit unterhalb von Bc2 auf ein Bestehen von elektronischen Zuständen in der Shubnikov-Phase hin.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden de Haas-van Alphen-Untersuchungen an den nichtmagnetischen Borkarbidsupraleitern LuNi2B2C und YNi2B2C präsentiert. Aus den Quantenoszillationen in der normalleitenden Phase in Kombination mit Bandstrukturrechnungen konnten Informationen über die verzweigte Fermiflächenarchitektur und über die Elektron-Phonon-Kopplung der Borkarbide gewonnen werden. Die Kopplung ist stark anisotrop und fermiflächenabhängig. Dies spricht für einen Mehrbandmechanismus der Supraleitung in der Materialklasse. Zusätzlich konnten de Haas-van-Alphen-Oszillationen mehrerer Fermiflächen unterhalb von Bc2 tief in der Shubnikov-Phase beobachtet werden. Das Verhalten dieser Oszillationen lässt sich nicht mit bisher bekannten Theorien beschreiben. Allerdings weist das Bestehen der Oszillationen weit unterhalb von Bc2 auf ein Bestehen von elektronischen Zuständen in der Shubnikov-Phase hin.

In dieser Arbeit werden niederfrequente optische Messungen an vier neuartigen Supraleitern vorgestellt. Im Bereich von 100 GHz bis 3 THz zeigen die vier untersuchten Systeme – LuNi2B2C, Ba(Fe0,9Co0,1)2As2, T’-Pr2CuO4 und Si:Ga – ein sehr unterschiedliches Verhalten. Die beiden erst genannten Supraleiter sind Mehrbandsupraleiter, bei denen die Cooper-Paarkopplung unterschiedlich für verschiedene Fermiflächen ist. T’-Pr2CuO4 ist ein undotierter Kupratsupraleiter, der nach bisheriger Lehrmeinung nicht existieren dürfte. Mit THz-Spektroskopie konnte erstmals die Bildung einer Meißner-Phase in T’-Pr2CuO4 mit optischen Methoden beobachtet werden. Eine gewisse Sonderstellung nimmt Si:Ga als amorpher Supraleiter ein. Si:Ga wird durch Ionenimplantation von Gallium in einen Siliziumwafer hergestellt. Es besteht die Hoffnung, mit Si:Ga halb- und supraleitende Logikblöcke in großem Maßstab auf einem Chip vereinen zu können, da die Ionenimplantation mit den Produktionsprozessen der Halbleiterindustrie kompatibel ist.

The present work reports on thermal low-temperature properties of rare earth transition metal borocarbides such as specific heat, thermal conductivity and thermopower. The influence of structural disorder, caused by stoichiometric variations and substitutions of the rare earth element or the transition metal, on the thermal and superconducting low-temperature properties is investigated. The structural disorder results in the reduction of the superconducting transition temperature Tc, of the Sommerfeld value gamma, of the upper critical magnetic field Hc2(0), of the negative curvature of the H-dependence of the T-linear specific heat contribution gamma(H), and in the reduction of the positive curvature of Hc2(T) near Tc. But isoelectronic rare earth substitutions do not result in the transition from clean to dirty limit. Due to Pt-substitutions similar reductions of thermal and superconducting properties are observed. The behaviour of Hc2(0) and the concentration dependence of the positive curvature of Hc2(T) near Tc point to the transition from clean to quasi-dirty limit in the case of Pt-substitutions. / In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zu thermischen Tieftemperatureigenschaften, wie der spezifischen Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit und der Thermokraft, an supraleitenden Seltenerd-Übergangsmetall-Borkarbiden vorgestellt. Es wurde der Einfluß von gezielt hervorgerufener Unordnung im kristallographischen Aufbau, die durch isoelektronische Substitutionen des Seltenerd-Elements und des Übergangsmetalls sowie durch Söchiometrievariationen erzeugt wurde, auf die thermischen und supraleitenden Tieftemperatureigenschaften untersucht. Folge der strukturellen Unordnung ist eine Reduzierung der charakteristischen Eigenschaften, wie der Sprungtemperatur der Supraleitung Tc, der Sommerfeldkonstanten gamma, des oberen kritischen Magnetfelds Hc2(0), der negativen Krümmung in der Feldabhängigkeit des T-linearen Beitrags zur spezifischen Wärme gamma(H) sowie eine Reduzierung der positiven Krümmung in der Temperaturabhängigkeit von Hc2(T). Isoelektronische Substitutionen auf dem Seltenerd-Platz führen aber nicht zum Erreichen des dirty limit. Eine Reduzierung der relevanten supraleitenden und thermischen Eigenschaften durch Pt-Beimengungen wird ähnlich wie im Falle der Lu-Substitution festgestellt. Die Konzentrationsabhängigkeit von Hc2(0) sowie die Krümmung von Hc2(T) weisen hier auf einen Übergang vom clean limit zum quasi-dirty limit durch die Pt-Substitution hin.

In the present study the results of investigations on polycrystalline MgB2 and on single crystals of YNi2B2C and HoNi2B2C are presented. In particular, measurementes of specific electrical resistance, thermal conductivity, thermoelectric power, and of the linear thermal expansion coefficient were performed. Moreover, the specific heat of polycristalline borocarbide samples was evaluated. From the measured data, the temperature dependencies of the Lorenz number and of the Grueneisen parameter can be determined, also the pressure dependence of the superconducting transition temperature using the Ehrenfest relation. At low temperatures a characteristic deviation of the resistivity from the Bloch-Grueneisen law in the normal state for all investigated substances was observed. A reentrant behaviour in resistivity and thermoelectric power occurs at the antiferromagnetic phase transition of HoNi2B2C. The thermal conductivity of MgB2 below 7 K is dominated by the scattering of phonons at grain boundaries. The absence of both, a maximum of thermal conductivity in the superconducting state, and the change of its slope at the superconducting transition temperature points to the validity of the two-band model that also describes the temperature dependence of specific heat. Measurements of thermoelectric power confirm the different normal-state character of the charge carriers of the investigated superconductors. Diffusion thermopower and phonon drag describe the measured data of all investigated compounds ov a wide range of temperature. The thermal expansion of HoNi2B2C below 10 K is dominated by the magnetic contribution. For all investigated substances the Grueneisen parameter features very large values in selected temperature ranges. In the case of MgB2, its temperature dependence is evidently connected with the properties of the relevant phonon mode. For the borocarbides, the electrical resistance depends very weakly on the crystallographic direction, but in contrast the thermal conductivity does in a quite strong manner. Despite of the antiferromagnetic phase transition in the case of HoNi2B2C, thermoelectric power and thermal expansion show minor anisotropy. / In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an polykristallinem MgB2 sowie an YNi2B2C- und HoNi2B2C-Einkristallen analysiert. Dafür erfolgten Messungen des spezifischen elektrischen Widerstands, der Wärmeleitfähigkeit, der Thermokraft und des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Zudem wurde die spezifische Wärmekapazität polykristalliner Borkarbide bestimmt und aus den erhaltenen Daten die Temperaturabhängigkeit der Lorenz-Zahl und des Grüneisen-Parameters sowie mittels der Ehrenfest-Relation die Druckabhängigkeit der Sprungtemperatur ermittelt. Bei tiefen Temperaturen findet man im normalleitenden Zustand für alle betrachteten Substanzen ein charakteristisches Abweichen des Widerstands vom Bloch-Grüneisen-Gesetz. Bei HoNi2B2C tritt beim antiferromagnetischen Phasenübergang im Widerstand und in der Thermokraft ein reentrant-Verhalten auf. Die thermische Leitfähigkeit von MgB2 wird unterhalb von 7 K durch die Streuung der Phononen an Korngrenzen bestimmt. Das Fehlen eines Maximums in der Wärmeleitfähigkeit im supraleitenden Zustand und einer Anstiegsänderung bei der Sprungtemperatur liefert einen Hinweis auf die Gültigkeit des Zweibandmodells, mit welchem auch der Temperaturverlauf der Wärmekapazität erklärt werden kann. Messungen der Thermokraft bestätigen den unterschiedlichen Charakter der Ladungsträger im normalleitenden Zustand der untersuchten Supraleiter, wobei Elektronendiffusion und Phonon Drag die Messdaten aller betrachteten Verbindungen in weiten Temperaturbereichen beschreiben. Für HoNi2B2C wird die thermische Ausdehnung unterhalb von 10 K durch den Beitrag der magnetischen Ordnung bestimmt. Der Grüneisen-Parameter weist für alle untersuchten Substanzen in Teilbereichen sehr große Beträge auf. Sein Temperaturverlauf hängt bei MgB2 offenbar mit Eigenschaften der maßgeblichen Phononenmode zusammen. Für die Borkarbide ist die Richtungsabhängigkeit des elektrischen Widerstandes sehr schwach, in der Wärmeleitfähigkeit hingegen recht stark ausgeprägt. Abgesehen vom antiferromagnetischen Phasenübergang bei HoNi2B2C weisen Thermokraft und Ausdehnungskoeffizient eine geringe Anisotropie auf.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

In the present study the results of investigations on polycrystalline MgB2 and on single crystals of YNi2B2C and HoNi2B2C are presented. In particular, measurementes of specific electrical resistance, thermal conductivity, thermoelectric power, and of the linear thermal expansion coefficient were performed. Moreover, the specific heat of polycristalline borocarbide samples was evaluated. From the measured data, the temperature dependencies of the Lorenz number and of the Grueneisen parameter can be determined, also the pressure dependence of the superconducting transition temperature using the Ehrenfest relation. At low temperatures a characteristic deviation of the resistivity from the Bloch-Grueneisen law in the normal state for all investigated substances was observed. A reentrant behaviour in resistivity and thermoelectric power occurs at the antiferromagnetic phase transition of HoNi2B2C. The thermal conductivity of MgB2 below 7 K is dominated by the scattering of phonons at grain boundaries. The absence of both, a maximum of thermal conductivity in the superconducting state, and the change of its slope at the superconducting transition temperature points to the validity of the two-band model that also describes the temperature dependence of specific heat. Measurements of thermoelectric power confirm the different normal-state character of the charge carriers of the investigated superconductors. Diffusion thermopower and phonon drag describe the measured data of all investigated compounds ov a wide range of temperature. The thermal expansion of HoNi2B2C below 10 K is dominated by the magnetic contribution. For all investigated substances the Grueneisen parameter features very large values in selected temperature ranges. In the case of MgB2, its temperature dependence is evidently connected with the properties of the relevant phonon mode. For the borocarbides, the electrical resistance depends very weakly on the crystallographic direction, but in contrast the thermal conductivity does in a quite strong manner. Despite of the antiferromagnetic phase transition in the case of HoNi2B2C, thermoelectric power and thermal expansion show minor anisotropy. / In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an polykristallinem MgB2 sowie an YNi2B2C- und HoNi2B2C-Einkristallen analysiert. Dafür erfolgten Messungen des spezifischen elektrischen Widerstands, der Wärmeleitfähigkeit, der Thermokraft und des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Zudem wurde die spezifische Wärmekapazität polykristalliner Borkarbide bestimmt und aus den erhaltenen Daten die Temperaturabhängigkeit der Lorenz-Zahl und des Grüneisen-Parameters sowie mittels der Ehrenfest-Relation die Druckabhängigkeit der Sprungtemperatur ermittelt. Bei tiefen Temperaturen findet man im normalleitenden Zustand für alle betrachteten Substanzen ein charakteristisches Abweichen des Widerstands vom Bloch-Grüneisen-Gesetz. Bei HoNi2B2C tritt beim antiferromagnetischen Phasenübergang im Widerstand und in der Thermokraft ein reentrant-Verhalten auf. Die thermische Leitfähigkeit von MgB2 wird unterhalb von 7 K durch die Streuung der Phononen an Korngrenzen bestimmt. Das Fehlen eines Maximums in der Wärmeleitfähigkeit im supraleitenden Zustand und einer Anstiegsänderung bei der Sprungtemperatur liefert einen Hinweis auf die Gültigkeit des Zweibandmodells, mit welchem auch der Temperaturverlauf der Wärmekapazität erklärt werden kann. Messungen der Thermokraft bestätigen den unterschiedlichen Charakter der Ladungsträger im normalleitenden Zustand der untersuchten Supraleiter, wobei Elektronendiffusion und Phonon Drag die Messdaten aller betrachteten Verbindungen in weiten Temperaturbereichen beschreiben. Für HoNi2B2C wird die thermische Ausdehnung unterhalb von 10 K durch den Beitrag der magnetischen Ordnung bestimmt. Der Grüneisen-Parameter weist für alle untersuchten Substanzen in Teilbereichen sehr große Beträge auf. Sein Temperaturverlauf hängt bei MgB2 offenbar mit Eigenschaften der maßgeblichen Phononenmode zusammen. Für die Borkarbide ist die Richtungsabhängigkeit des elektrischen Widerstandes sehr schwach, in der Wärmeleitfähigkeit hingegen recht stark ausgeprägt. Abgesehen vom antiferromagnetischen Phasenübergang bei HoNi2B2C weisen Thermokraft und Ausdehnungskoeffizient eine geringe Anisotropie auf.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

In dieser Arbeit werden niederfrequente optische Messungen an vier neuartigen Supraleitern vorgestellt. Im Bereich von 100 GHz bis 3 THz zeigen die vier untersuchten Systeme – LuNi2B2C, Ba(Fe0,9Co0,1)2As2, T’-Pr2CuO4 und Si:Ga – ein sehr unterschiedliches Verhalten. Die beiden erst genannten Supraleiter sind Mehrbandsupraleiter, bei denen die Cooper-Paarkopplung unterschiedlich für verschiedene Fermiflächen ist. T’-Pr2CuO4 ist ein undotierter Kupratsupraleiter, der nach bisheriger Lehrmeinung nicht existieren dürfte. Mit THz-Spektroskopie konnte erstmals die Bildung einer Meißner-Phase in T’-Pr2CuO4 mit optischen Methoden beobachtet werden. Eine gewisse Sonderstellung nimmt Si:Ga als amorpher Supraleiter ein. Si:Ga wird durch Ionenimplantation von Gallium in einen Siliziumwafer hergestellt. Es besteht die Hoffnung, mit Si:Ga halb- und supraleitende Logikblöcke in großem Maßstab auf einem Chip vereinen zu können, da die Ionenimplantation mit den Produktionsprozessen der Halbleiterindustrie kompatibel ist.