Zur Messung pyrelektrischer Koeffzienten wurde ein Messplatz nach einem erweiterten SHARP-GARN-Verfahren entwickelt und zur Untersuchung von Phasenumwandlungen in Pyroelektrika eingesetzt. Einerseits konnten pyroelektrische Messungen im elektrischen Feld die Pyroelektrizität einer neuen durch elektrisch angetriebene Defektmigration erzeugten Phase in Strontiumtitanat nachweisen. Andererseits gelang es, Ferroelektrizität in der Hochtemperaturphase von Poly(Vinylidenfluorid-Trifluorethylen), mittels phasenreiner Präparation der Hochtemperaturphase unterhalb der CURIEtemperatur und anschließender Polarisierung, nachzuweisen. Ferner ließen sich mittels thermisch angeregter Pyroelektrika Redoxprozesse antreiben, was durch Desinfektion von Escherichia coli Bakterien in wässriger Lösung mittels Lithiumniobat und -tantalat gezeigt wurde. Die Hypothese der Desinfektion durch reaktive Sauerstoffspezies konnte durch spektroskopisch nachgewiesene OH-Radikale - erzeugt mittels thermisch angeregter Bariumtitanatnanopartikel - belegt werden.

Ziel dieser Arbeit ist zunächst die Entwicklung einer Vergleichsgrundlage, auf Basis derer Algorithmen zur Berechnung der Zustandsdichte verglichen werden können. Darauf aufbauend wird ein bestehendes übergangsmatrixbasiertes Verfahren für das großkanonisch Ensemble um ein neues Auswerteverfahren erweitert. Dazu werden numerische Untersuchungen verschiedener Monte-Carlo-Algorithmen zur Berechnung der Zustandsdichte durchgeführt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Verfahren, die auf Übergangsmatrizen basieren, sowie auf dem Verfahren von Wang und Landau. Im ersten Teil der Forschungsarbeit wird ein umfassender Überblick über Monte-Carlo-Methoden und Auswerteverfahren zur Bestimmung der Zustandsdichte sowie über verwandte Verfahren gegeben. Außerdem werden verschiedene Methoden zur Berechnung der Zustandsdichte aus Übergangsmatrizen vorgestellt und diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Vergleichsgrundlage für Algorithmen zur Bestimmung der Zustandsdichte erarbeitet. Dazu wird ein neues Modellsystem entwickelt, an dem verschiedene Parameter frei gewählt werden können und für das die exakte Zustandsdichte sowie die exakte Übergangsmatrix bekannt sind. Anschließend werden zwei weitere Systeme diskutiert für welche zumindest die exakte Zustandsdichte bekannt ist: das Ising Modell und das Lennard-Jones System. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit numerischen Untersuchungen an einer Auswahl der vorgestellten Verfahren. Auf Basis der entwickelten Vergleichsgrundlage wird der Einfluss verschiedener Parameter auf die Qualität der berechneten Zustandsdichte quantitativ bestimmt. Es wird gezeigt, dass Übergangsmatrizen in Simulationen mit Wang-Landau-Verfahren eine wesentlich bessere Zustandsdichte liefern als das Verfahren selbst. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt um ein neues Verfahren zu entwickeln mit welchem die Zustandsdichte mittels Minimierung der Abweichungen des detaillierten Gleichgewichts aus großen, dünnbesetzten Übergangsmatrizen gewonnen werden kann. Im Anschluss wird ein Lennard-Jones-System im großkanonischen Ensemble untersucht. Es wird gezeigt, dass durch das neue Verfahren Zustandsdichte und Dampfdruckkurve bestimmt werden können, welche qualitativ mit Referenzdaten übereinstimmen.

Rare-earth nickel borocarbids RNi2B2C are particularly suitable for investigations on one of the most interesting problems in modern solid-state physics: these compounds display competition and coexistence of superconductivity and magnetism. Depending on the R3+ ion, the transition temperatures are in an experimentally easy accessible range of 1 K to 25 K. This thesis presents experimental studies on the interplay of both ordering phenomena. Neutron diffraction is used to determine the magnetic order and the resulting changes of the crystal structure. Experiments are performed on polycrystalline and single crystal samples in dependence on temperature and external magnetic fields. The Ni-B stoichiometry of the tetragonal RNi2B2C compounds is systematically varied and the magnetic R3+ ions are partially substituted by other magnetic or nonmagnetic R?3+ ions. The experimental results are compared with macroscopic magnetic and electrical properties. For HoNi2B2C three different magnetic structures are found in a narrow temperature range. While for two magnetic structures the Ho3+ moments are modulated along the c axis, a third magnetic structure with a modulation in a direction is observed. Both, partial substitution of Ho3+ ions and variation of the Ni-B stoichiometry, strongly modify the formation of these different types of magnetic order. The comparison with the concomitant changes of the superconducting properties yields the following scenario for HoNi2B2C-based compounds: superconductivity coexists with both magnetic structures with modulations in c direction. However, the onset of magnetic order weakens the superconductivity. For the magnetic structure with modulation along the a axis, components of the magnetic moments arise in c direction. The resulting local magnetic fields on Ni sites yield a strong suppression of the superconductivity. The observed competition between superconductivity and the magnetic structure with modulation along the a axis strongly suggests that the modification of the electronic structure due to the superconducting state influences the magnetic ordering. As a further impact of the magnetism in RNi2B2C compounds with R = Ho, Dy, Tb and Er changes of the crystal structure are investigated. Using high-resolution neutron diffraction, tetragonal-to-orthorhombic lattice distortions are found. They are induced by those magnetic structures with either parallel or anti-parallel alignement of R3+ magnetic moments. The direction of the lattice distortions, the dependence of their size on the square of the effective ordered magnetic moment and on the type of the R3+ ions indicate that the magneto-elastic interactions are determined by crystal-field effects. This fact also facilitates the elucidation of the magnetic phase diagrams by neutron diffraction experiments in external magnetic fields. For a given phase, absence or presence of magneto-elastic lattice distortions restrict the set of possible magnetic structures. For HoNi2B2C the magnetic phases reported in literature are confirmed. The experimental results for DyNi2B2C are interpreted using a simple model to determine the magnetic structures. Based on mean field calculations, the differences in the magnetic structures for increasing and decreasing magnetic fields can be understood as very strong hysteresis effects in connection with first-order phase transitions. / Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen RNi2B2C sind bestens zur Untersuchung eines der interessantesten Probleme der modernen Festkörperphysik geeignet: Diese Substanzen weisen Konkurrenz und Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus auf, wobei die vom R3+-Ion abhängigen Übergangstemperaturen in einem experimentell gut zugänglichen Bereich von 1 K bis 25 K liegen. Die vorliegende Dissertation stellt experimentelle Arbeiten zum Wechselspiel der beiden Ordnungsphänomene vor. Für poly- und einkristalline Proben werden die magnetischen Ordnungen und resultierende Veränderungen der Kristallstruktur mittels Neutronendiffraktion in Abhängigkeit von der Temperatur und vom äußeren Magnetfeld bestimmt und mit den makroskopischen magnetischen und elektrischen Eigenschaften verglichen. Hierbei werden die tetragonalen RNi2B2C-Verbindungen gezielt in ihrer Ni-B-Stöchiometrie variiert sowie die magnetischen R3+-Ionen partiell durch andere magnetische als auch unmagnetische R?3+-Ionen substituiert. Für HoNi2B2C werden in einem engen Temperaturbereich drei verschiedene magnetische Strukturen nachgewiesen. Während in zwei magnetischen Ordnungen die Ho3+-Momente entlang der c-Achse moduliert sind, wird für die dritte magnetische Ordnung eine Modulation in a-Richtung beobachtet. Sowohl durch die partielle Substitution der Ho3+-Ionen als auch durch die Ni-B-Stöchiometrievariation wird die Ausprägung der magnetischen Strukturen stark modifiziert. Der Vergleich mit den ebenfalls veränderten supraleitenden Eigenschaften ergibt das folgende Bild für die HoNi2B2C-Verbindungen: Die Supraleitung koexistiert mit den beiden c-Achsen-modulierten magnetischen Strukturen, das Einsetzen der magnetischen Ordnung führt jedoch zu einer Schwächung der Supraleitung. Die a-Achsen-modulierte magnetische Struktur weist Momentkomponenten in c-Richtung auf, die auf Grund der resultierenden lokalen Magnetfelder an den Ni-Plätzen eine starke Unterdrückung der Supraleitung bewirken. Die beobachtete Konkurrenz zwischen der Supraleitung und der a-Achsen-modulierten magnetischen Struktur gibt andererseits einen starken Hinweis darauf, daß die Modifizierung der elektronischen Struktur im supraleitenden Zustand auf das magnetische System rückwirkt. Als weitere Auswirkung des Magnetismus kommt es in RNi2B2C-Verbindungen mit R = Ho, Dy, Tb und Er zu Veränderungen der Kristallstruktur. Mittels hochauflösender Neutronendiffraktion werden magnetisch induzierte, tetragonal-zu-orthorhombische Gitterverzerrungen für diejenigen magnetischen Ordnungen nachgewiesen, bei denen die magnetischen Momente der R3+-Ionen parallel bzw. antiparallel ausgerichtet sind. Die Richtung der Gitterverzerrung, die Abhängigkeit ihrer Größe vom Quadrat des geordneten magnetischen Momentes als auch von der Art der R3+-Ionen deuten darauf hin, daß die magneto-elastischen Wechselwirkungen durch Kristallfeldeffekte bestimmt werden. Diese Einsicht unterstützt auch die Aufklärung der magnetischen Phasendiagramme mittels magnetfeldabhängiger Neutronenbeugungsexperimente. Für eine magnetische Phase schränkt das Auftreten bzw. Fehlen der magneto-elastischen Effekte die Vielfalt der möglichen magnetischen Strukturen ein. Die aus der Literatur bekannten magnetischen Phasen von HoNi2B2C werden bestätigt. Für DyNi2B2C werden die experimentellen Ergebnisse unter Nutzung eines einfachen Modelles interpretiert und die magnetischen Strukturen bestimmt. Anhand von Molekularfeldrechnungen können die Unterschiede in den magnetischen Strukturen für ansteigendes und für abnehmendes Magnetfeld als sehr starke Hystereseeffekte in Zusammenhang mit Phasenübergängen erster Ordnung gedeutet werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.