The principal aim of this thesis is to characterise quantitatively the influence of high temperature creep upon the structure of ß-NiAl and ß-NiAl(Fe) single crystals. A non-destructive procedure is established following the classic line of X-ray structure analysis, namely controlling the chemical composition with the electron probe microanalysis, determining the unit cell contents from the combined lattice parameter and mass density measurements, and refining the structure parameters according to the X-ray reflection intensity. Specifically, two special single crystal X-ray diffraction methods, namely the back reflection Kossel technique and the back reflection Laue method, are applied for the determination of lattice parameter and for the collection of intensity data. All experimental measurements can be performed in non-destructive manner, which allows a direct comparison to be made between the crystal structure determined prior to and after a creep test.

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Systematic synthetic investigations of the quaternary systems Ag - Bi - Q - X (Q = S, Se; X = Cl, Br) led to a variety of quaternary phases that exhibit considerable structural diversity with increasing complexity. These include Ag1.2Bi17.6S23Cl8, AgBi4Se5Br3 and numerous members of the homologous double series Agx(N+1)Bi2+(1-x)(N+1)Q2+(2-2x)(N+1)X2+(2x-1)(N+1) denoted (N, x)P. N represents the order number of a given homologue and x is the degree of substitution of Bi by Ag with 1/2 <= x <= 1. Their structures are built up from two alternating types of modules denoted A and B that are stacked parallel to (001). In module A, rows of edge-sharing [MZ6] octahedra (Z = X and/or Q); M = Ag and/or Bi) running parallel to [010] alternate along [100] with parallel chains of paired monocapped trigonal prisms around Bi atoms. The module type denoted B represents NaCl-type fragments of varying thickness. It is defined by the number N of octahedra within the chain of edge-sharing octahedra running diagonally across it in the (010) plane of the structure. The thickness of module B for current members of the series extends from N = 0 to N = 7. All structures exhibit Ag/Bi disorder in octahedrally coordinated metal positions and Q/X (Q = S, Se; X = Cl, Br) mixed occupation of some anion positions. Some of these compounds are narrow gap semiconductors.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen die Darstellung und Charakterisierung ternärer Bismutsubchloride unter Einbau von Übergangsmetallen der 8., 9. und 10. Gruppe. Durch Vorlage eines hohen Chloranteils in der Synthese wurde die "chemische Schere" der Oxidation so stark wirksam, dass in den Verbindungen die gewünschten voneinander isolierten Cluster aus Metallatomen vorlagen. Die Verbindungen Bi12PtCl12, Bi12-xRhCl13-x, Bi12-xIrCl13-x (x < 1) und Bi6,67PtCl12 wurden als Pulver und als Kristalle durch Festkörperreaktionen bei 1273 K in Quarzglasampullen hergestellt. Die schwarz glänzenden, würfelförmigen Kristalle sind luftstabil, in verdünnten Mineralsäuren und in organischen Lösungsmitteln beständig. Die Zusammensetzungen wurden mit EDX-Analysen und Röntgenbeugung am Einkristall bestimmt. Zur weiteren Charakterisierung wurden quantenchemische Rechnungen, ramanspektroskopische Untersuchungen, Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt. Kristalle der Verbindung Bi12PtCl12 täuschen ein rhomboedrisches Kristallsystem vor, die Struktur konnte in der Raumgruppe P 1 als nahezu perfekter Inversionszwilling eines Achsendrillings gelöst werden. Auf den Eckplätzen der pseudorhomboedrischen Elementarzelle befinden sich [PtBi6Cl12]2- -Cluster und in der Mitte ein (Bi6)2+ -Polykation. Dieses (Bi6)2+ -Polykation in Form eines geöffneten Oktaeders bestätigt experimentell Vorhersagen von Kuznetsov et al. Nach den Regeln von Wade ist das Polykation mit 2 x 6 + 4 = 16 Gerüstelektronen als nido-Cluster zu verstehen. Die Schwerpunkte der Anionen und Kationen fügen sich zu einer dem CsCl-Typ analogen Anordnung zusammen. Mit einer vollständigen Besetzung aller Bismutlagen in der Mitte der Elementarzelle kann Bi12PtCl12 eine Schlüsselrolle zugeordnet werden, die sozusagen den Prototyp für diesen Strukturtyp darstellt. Die weiteren Verbindungen stellen unterbesetzte Varianten dar und können von Bi12PtCl12 abgeleitet werden. Im Verlauf der Untersuchungen zu den ternären Subchloriden in den Systemen wurden wenige Kristalle der binären Verbindung Bi7Cl10 erhalten. Die Tatsache, dass es sich um eine neue binäre Phase im recht stark untersuchten Gebiet Bismut-Chlor handelte führte zu einer neuerlichen, systematischen Überprüfung des Systems Bi/Cl. Mittels thermischer Analysen wurde das Zustandsdiagramm Bi/BiCl3 präzisiert. Bi7Cl10 zersetzt sich bereits bei 190 °C peritektoid in Bi6Cl7 und BiCl3 Bi7Cl10(s) = Bi6Cl7(s) + BiCl3(g). Das Zustandsbarogramm des binären Systems wurde über Gesamtdruckmessungen im Membran-Nullmanometer erstmalig bestimmt. Aus den Druckfunktionen der Bismutchloride sowie aus Messungen der Molwärme von Bi6Cl7 wurden die thermodynamischen Standarddaten abgeleitet. Unter Verwendung dieser Daten wurden thermodynamische Modellierungen der Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte durchgeführt, mit deren Hilfe die Synthese von Bi7Cl10 optimiert werden konnte. Die phasenreine Gasphasenabscheidung von Bi7Cl10 ist aufgrund der Kondensation der dominierenden Gasphasenspezies BiCl und BiCl3 im Existenzbereich der Verbindung oberhalb des Zersetzungspunktes (190 °C) nicht möglich. Im Existenzgebiet von Bi7Cl10 kommt der Transport dann wegen der resultierenden Partialdrücke unmittelbar zum Erliegen. Aus Röntgenbeugungsuntersuchungen an Einkristallen geht hervor, dass Bi7Cl10 bei Raumtemperatur in der tetragonalen Raumgruppe I 41/a c d mit a = 28,235(3) und c = 39,950(4) Å kristallisiert (Z = 64). Analog zu Bi6Cl7 = ((Bi9)5+)[(Bi3Cl14)5-] kann Bi7Cl10 unter Verdopplung der Summenformel als ((Bi9)5+)[(Bi5Cl20)5-] formuliert werden. In der Kristallstruktur sind Polykationen (Bi9)5+, welche die Gestalt zweifach überkappter trigonaler Prismen haben, in ein Chlorobismutat(III)-Raumnetzwerk [(Bi5Cl20)5-] eingebettet. Die Polykationen und das Anionennetzwerk sind deutlich voneinander separiert.

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The new phases Ca3Pt4+xGe13−y (x = 0.1; y = 0.4; space group I213; a = 18.0578(1) Å; RI = 0.063; RP = 0.083) and Yb3Pt4Ge13 (space group P42cm; a = 12.7479(1) Å; c = 9.0009(1) Å; RI = 0.061, RP = 0.117) are obtained by high-pressure, high-temperature synthesis and crystallize in new distortion variants of the Pr3Rh4Sn13 type. Yb3Pt4Ge13 features Yb in a temperature-independent non-magnetic 4f14 (Yb2+) configuration validated by X-ray absorption spectra and resonant inelastic X-ray scattering data. Ca3Pt4+xGe13−y is diamagnetic (χ0 = −5.05 × 10−6 emu mol−1). The Sommerfeld coefficient γ = 4.4 mJ mol−1 K−2 for Ca3Pt4+xGe13−y, indicates metallic properties with a low density of states at the Fermi level in good agreement with electronic structure calculation (N(EF) = 3.3 eV−1/f.u.)); the Debye temperature (θD) is 398 K. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Bereits kurz nach Ende des zweiten Weltkriegs, als vergleichsweise große Mengen hochreiner Seltener Erden (SE) für die Wissenschaft bereit standen, wurde erkannt, dass die SE und deren Verbindungen eine Vielzahl bis dahin nicht untersuchter bzw. gänzlich unbekannter physikalischer Phänomene bergen. Zu diesen zählen insbesondere die magnetischen Ordnungen, der KONDO-Effekt, quantenkritische Punkte, das Schwere-Fermionen Verhalten und die Supraleitung. Es konnte teilweise ein drastischer Einfluss leichter Änderungen der chemischen Zusammensetzung auf die physikalischen Eigenschaften dieser Stoffe beobachtet werden. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bilden die detaillierte röntgenographische Aufklärung der Kristallstruktur sowie die Untersuchung des Einflusses dedizierter Variationen der chemischen Zusammensetzung auf Struktur und Eigenschaften wichtiger Vertreter dieser Substanzklasse. Ein besonderer Akzent liegt hierbei auf der Charakterisierung von modulierten Kristallen. Für die Aufklärung der Struktur wird ein breites Spektrum physikalischer Messmethoden, insbesondere die Röntgendiffraktometrie, eingesetzt. Vorgestellt werden orientierte Fremdphaseneinschlüsse im System Y-Ni-B-C, die Ausbildung inkommensurabel geordneter Vakanzen im System Ce-Si, der Einbau von Stapelfehlern sowie eine kommensurable Ordnung von Übergangsmetall-Atomen (ÜM) im System SE-ÜM-Si und eine lagenspezifische Besetzung im System Y-Mn-Fe-O, deren Aufklärung erstmals berichtet wird. Es wird gezeigt, welche Konsequenzen die strukturellen Besonderheiten für ausgewählte physikalische Eigenschaften zur Folge haben. Diese Arbeit hat das Ziel, einen Überblick über die möglichen „Antworten“ der Kristallstruktur der Seltenerd-Übergangsmetall-Verbindungen auf Variationen der chemischen Zusammensetzung zu geben. / Even shortly after World War II, as large amounts of ultrapure rare earths (RE) became available for scientific research, a large reservoir of peculiar phenomena was uncovered. These had not been investigated before or were completely unknown. Examples of these phenomena are, magnetic ordering, the KONDO effect, quantum critical points, heavy fermion behaviour, as well as superconductivity. A strong influence of small variations of the chemical composition on the physical properties had been observed. The main focus of the present thesis is the detailed elucidation of the crystal structure of fundamental representatives of this class of substances, as well as the influence of dedicated variations of the chemical composition on their structure and properties. In particular, the characterisation of modulated crystals is an important facet. A large spectrum of physical methods, especially X-ray diffraction, is employed in the investigations. Results on oriented intergrowth in the Y-Ni-B-C system, incommensurately ordered vacancies in the Ce-Si system, incorporation of stacking faults as well as commensurately ordered transition metal atoms (TM) in the RE-TM-Si system and site specific occupancy in the Y-Mn-Fe-O system are presented. Their elucidation is reported for the first time. It will be shown which consequences the structural peculiarities will have on the physical properties. An objective of this thesis is to give an overview of the possible “answers“ that can be obtained with regard to the influence of the crystal structure of rare earth transition metal compounds on deviations of the chemical composition.

Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen. / The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields.

Diese Dissertation befasst sich mit den Plasmaeigenschaften und dem Schichtbildungsprozess bei der Titanoxidbeschichtung mit dem reaktiven Puls-Magnetron-Sputterverfahren. Insbesondere werden die Vorgänge, die zu einer vermehrt oder vermindert starken Kristallinität und photokatalytischen Aktivität der Schichten führen, untersucht und die Verflechtungen mit den Beschichtungsbedingungen analysiert. Es werden Untersuchungen zur Messung der sich während der Beschichtung einstellenden Substrattemperatur, zur Messung des auf das Substrat einfallenden integralen Ionenstroms sowie zur Energieverteilung positiver und negativer Ionen vorgestellt. Zu den wichtigsten Erkenntnissen dieser Untersuchungen zählt, dass bei Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus bei Rechteck-Magnetrons eine um etwa Faktor zwei stärkere Substraterwärmung auftritt als bei Nutzung des Unipolar-Pulsmodus. Das ist auf einen höheren Ionenstrom auf das Substrat bei gleichzeitig höherer Selbstbiasspannung zurückzuführen, was insgesamt zu einem deutlich intensiveren Bombardement des Substrats mit Ionen führt. Durch Vergleich mit den Eigenschaften von DC-Plasmen konnte gezeigt werden, dass die unterschiedliche Lage der Anode relativ zum Magnetron-Magnetfeld die primäre Ursache für die gefundenen Unterschiede ist. Der Titanoxid-Beschichtungsprozess wurde umfassend untersucht und dabei die Abhängigkeiten der Kristallinität und der Schichteigenschaften von Substrattemperatur, Beschichtungsrate und von dem während der Beschichtung auftretenden Ionenbombardement aufgezeigt. Eine wichtiges Resultat ist, dass durch Anwendung eines intensiven Ionenbombardements des Beschichtungsplasmas die für kristallines Schichtwachstum erforderliche Substrattemperatur sinkt. Das wird durch Nutzung des Pulspaket- bzw. des Bipolar-Pulsmodus anstatt des Unipolar-Pulsmodus sowie durch Wahl eines reaktiveren Arbeitspunkts erreicht. Insgesamt konnte anhand der Untersuchungen der Parameterbereich, in dem die Abscheidung polykristalliner Titanoxidschichten möglich ist, in Richtung niedriger Substrattemperaturen und dünner Schichten ermittelt werden. / In this dissertation, the plasma characteristics and the layer forming process during the titanium oxide deposition with the reactive pulse magnetron sputtering method are investigated. In particular, the procedures which lead to a higher or lower crystallinity and photocatalytic activity are examined and the connections with the coating conditions are analyzed. Investigations are presented concerning the maximum substrate temperature during deposition, the integral ion current onto the substrate as well as the ion energy distribution function of positive and negative ions. One of the most important findings is that when using rectangular magnetrons in the pulse packet mode or in the bipolar pulse about to factor two stronger substrate heating arises in comparison to the unipolar pulse mode. That is due to a higher ion current onto the substrate and a higher self bias potential which leads altogether to a significantly higher ion bombardment of the substrate. It could be shown by comparison with the characteristics of DC plasmas that the different configuration of the anode relative to the magnetic field of the magnetrons is the primary cause for the differences. The titanium oxide coating process was comprehensively examined. Layer crystallinity and layer properties could be related to substrate temperature, deposition rate and ion bombardment during deposition. An important result is that by application of an intensive ion bombardment the substrate temperature necessary for crystalline layer growth decreases. This can be achieved by using the pulse packet or the bipolar pulse mode instead of the unipolar pulse mode as well as by choice of a more reactive working point. All in all, the parameter range in which is it possible to deposit polycrystalline titanium oxide layers could be determined toward low substrate temperatures and small layer thickness.

The new phases Ca3Pt4+xGe13−y (x = 0.1; y = 0.4; space group I213; a = 18.0578(1) Å; RI = 0.063; RP = 0.083) and Yb3Pt4Ge13 (space group P42cm; a = 12.7479(1) Å; c = 9.0009(1) Å; RI = 0.061, RP = 0.117) are obtained by high-pressure, high-temperature synthesis and crystallize in new distortion variants of the Pr3Rh4Sn13 type. Yb3Pt4Ge13 features Yb in a temperature-independent non-magnetic 4f14 (Yb2+) configuration validated by X-ray absorption spectra and resonant inelastic X-ray scattering data. Ca3Pt4+xGe13−y is diamagnetic (χ0 = −5.05 × 10−6 emu mol−1). The Sommerfeld coefficient γ = 4.4 mJ mol−1 K−2 for Ca3Pt4+xGe13−y, indicates metallic properties with a low density of states at the Fermi level in good agreement with electronic structure calculation (N(EF) = 3.3 eV−1/f.u.)); the Debye temperature (θD) is 398 K. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.