京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21782号 / 工博第4599号 / 新制||工||1717(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 / (主査)教授 陰山 洋, 教授 安部 武志, 教授 藤田 晃司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

This work focuses principally on two compounds, CeCu_1-xOS and LiFeAs, which have related layered structures but exhibit radically different physical properties. The nature of the air sensitivity of the ZrCuSiAs-type oxysulfide CeCu_1-xOS has been investigated by neutron diffraction and magnetometry. It was found that this compound can be made fully stoichiometric, with structural and magnetic properties that are consistent with other LnCuOS compounds, indicating that this is a bona-fide Ce³⁺ compound. Upon air exposure, Cu ions are extruded from the sulfide layer to leave a Cu-deficient phase with contracted unit cell parameters and a diminished paramagnetic moment consistent with mixed-valence Ce^3+/4+.The extruded Cu forms CuO and can be re-inserted into the sulfide layer by heating under a reducing atmosphere. This explains the anomalous behaviour of CeCuOS reported throughout the literature and has implications for the behaviour of other layered Cu-sulfides with oxidisable cations. At low temperatures Cu-deficient CeCu_0.8OS was found to exhibit structural ordering of Cu⁺ ions and vacancies, resulting in a √5a x √5a basal expansion of the high-temperature unit cell. The layered iron arsenide LiFeAs was synthesised and found to be superconducting below 17 K. Joint XRD/NPD measurements showed unambiguously that the compound adopts the anti-PbFCl structure with Li ions in a square-pyramidal LiAs5 environment. No evidence was found for an orthorhombic structural distortion at low temperatures. Further diffraction experiments showed that the compound can be made with non-stoichiometric compositions Li_1-yFe_1-y for small values of y (<0.05), as Fe can be accommodated on the Li site. This type of non-stoichiometry was found to strongly inhibit superconductivity (which was quenched entirely when y>0.02). Three series of compounds of type LiFe_1-xM_xAs (M = Mn, Co, Ni) were synthesised and characterised struturally bu high-resolution XRD and/or NPD. Substitution by Co and Ni was found to cause a monotonic decrease in T_c, and Ni was found to be twice as effective at suppressing T_c as Co. MuSR measurements showed the penetration depth increasing with Co and Ni substitution, consisitent with the superconducting state becoming less robust. Substitution by Mn was found to strongly inhibit superconductivity, and this behaviour is reminiscent of the non-stoichiometric Li_1-yFe_1-yAs materials. The structures and superconducting properties of LiFeAs and NaFeAs were studied under high pressures. Equations of state were obtained for each compound. Hydrostatic pressure was found to distort of the FeAs₄ away from ideal tetrahedral geometry in both compounds. These changes caused a monotonic decrease in T_c in LiFeAs, but has a smaller and more complex effect on the T_c of NaFeAs. Furthermore, NaFeAs was found to undergo a structural transition above P = 22 GPa, but the high-pressure structure could not be solved and this will become a target for future work.

Heterostructures of materials with dramatically different properties are exciting for a variety of devices. In particular, the epitaxial integration of metals with semiconductors is promising for low-loss tunnel junctions, embedded Ohmic contacts, high-conductivity spreading layers, as well as optical devices based on the surface plasmons at metal/semiconductor interfaces. This thesis investigates the structural, electrical, and optical properties of compound (III-V) semiconductors employing rare-earth monopnictide (RE-V) nanostructures. Tunnel junctions employing RE-V nanoparticles are developed to enhance current optical devices, and the epitaxial incorporation of RE-V films is discussed for embedded electrical and plasmonic devices. Leveraging the favorable band alignments of RE-V materials in GaAs and GaSb semiconductors, nanoparticle-enhanced tunnel junctions are investigated for applications of wide-bandgap tunnel junctions and lightly-doped tunnel junctions in optical devices. Through optimization of the growth space, ErAs nanoparticle-enhanced GaAs tunnel junctions exhibit conductivity similar to the best reports on the material system. Additionally, GaSb-based tunnel junctions are developed with low p-type doping that could reduce optical loss in the cladding of a 4 μm laser by ~75%. These tunnel junctions have several advantages over competing approaches, including improved thermal stability, precise control over nanoparticle location, and incorporation of a manifold of states at the tunnel junction interface. Investigating the integration of RE-V nanostructures into optical devices revealed important details of the RE-V growth, allowing for quantum wells to be grown within 15nm of an ErAs nanoparticle layer with minimal degradation (i.e. 95% of the peak photoluminescence intensity). This investigation into the MBE growth of ErAs provides the foundation for enhancing optical devices with RE-V nanostructures. Additionally, the improved understanding of ErAs growth leads to development of a method to grow full films of RE-V embedded in III-V materials. The growth method overcomes the mismatch in rotational symmetry of RE-V and III-V materials by seeding film growth with epitaxial nanoparticles, and growing the film through a thin III-V spacer. The growth of RE-V films is promising for both embedded electrical devices as well as a potential path towards realization of plasmonic devices with epitaxially integrated metallic films. / text

In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten aus dem nicht-supraleitenden BaFe2As2 (Ba122) auf eisengepufferten Spinell-Einkristallsubstraten mittels der gepulsten Laserdeposition abgeschieden, strukturell charakterisiert und auf ihre physikalischen Eigenschaften hin untersucht. Durch das kohärente Aufwachsen der Ba122-Schicht bis zu einer kritischen Dicke, d_c, kommt es zu einer tetragonalen Verzerrung der Ba122-Einheitszelle (nachgewiesen durch Röntgendiffraktometrie), die zu einer supraleitenden Phase führt. In Dünnschichten mit einer Dicke der Ba122-Schicht d_c < 30 nm sind zwei Bereiche der Supraleitung existent. Ab einer Temperatur von 35 K werden erste Zeichen einer supraleitenden Phase gemessen. Es wird gezeigt, dass im Bereich zwischen 35 K und 15 K fadenförmige Supraleitung in Bereichen mit leicht geringerem Spannungszustand vorliegt. Gefunden wird dies mithilfe von Messungen in einem Suszeptometer mit supraleitendem Quanteninterferenzdetektor (SQUID-MS), durch Elektronen-Rückstreu-Beugung sowie mittels des Vergleichs mit isovalent dotiertem Ba122. Die Übereinstimmung in den strukturellen Daten der Dünnschichten und von isovalent dotierten Einkristallen zeigt, dass die auf Eisen basierenden Supraleiter eine starke Abhängigkeit von den strukturellen Parametern besitzen und strukturelle Veränderungen großen Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften haben. Unterhalb von 15 K wird anhand von Transportmessungen und Messungen in einem SQUID-MS nachgewiesen, dass Massivsupraleitung vorliegt. Messbare kritische Stromdichten bestätigen das Vorliegen einer solchen Phase in der gesamten Probe. Die Untersuchung der Flusslinienverankerungseigenschaften der Phase unterhalb von 15 K belegt, dass in sehr dünnen Schichten von d <= 10 nm die magnetische Flusslinienverankerung existiert. Eine Vergrößerung der Schichtdicke führt zur Bildung von Defekten durch die Gitterfehlpassung zwischen Eisen- und Ba122-Schicht. Die Bildung dieser Defekte wird durch In-situ-Untersuchungen mittels Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion und Ex-situ-Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Atomkraftmikroskopie und Röntgendiffraktometrie nachgewiesen. Ab einer Dicke von ca. 30 nm fängt die Schicht an zu relaxieren. Eine Massivsupraleitungsphase kann in diesem Fall nicht mehr beobachtet werden. Eine weitere Vergrößerung der Dicke bis ca. 80 nm führt erneut zu nicht-supraleitenden Massivmaterialeigenschaften. Ein magnetischer Übergang wird bei ca. 140 K gemessen, wobei die Gitterparameter Massivmaterialeigenschaften aufweisen.

<p>This thesis details a collection of experiments performed on two condensed matter systems, Co-doped BaFe₂As₂ and URu₂Si₂. These two materials are related by their structural type (<em>ThCr₂Si₂</em>-type) serving as great examples of the diversity of material properties present in this family. They are also both superconducting materials and belong to the collection of strongly-correlated electron systems. The interest in studying the Ba(Fe,Co)₂As₂ group of materials is due to the high superconducting transition temperature in these (and related) materials, while the compound URu₂Si₂ was studied due to the presence of a poorly-understood 'hidden order' phase.</p> <p>Muon spin relaxation/rotation/resonance (µSR) was used to measure several single crystals of the series Ba(Fe_2-<em>x</em>Co<em>_x</em>)₂As₂ with Cobalt concentrations <em>x </em>= 0.038, 0.047, 0.061, 0.074, 0.107 and 0.114, and a single crystal of Sr(Fe_0.87Co_0.13)₂As₂. The two samples with the lowest doping, <em>x </em>= 0.038 and <em>x </em>= 0.047, showed strong c-axis magnetism occurring below the magnetic transition, T_SDW. The measurements suggest that the local magnetic field is increasingly disordered as the concentration of Co increases. These samples were shown to exhibit both superconductivity and magnetism, but that the entire sample contains non-zero local magnetic fields, meaning that superconductivity exists in or near regions of strong magnetic order.</p> <p>The remaining compounds (with <em>x </em>= 0.061, 0.074, 0.107, 0.114 and Sr(Fe_0.87Co_0.13)₂As₂) were measured with zero-field (ZF)-µSR and no magnetic ordering was found down to T = 1.65 K. An analytic Ginzburg-Landau model was used to fit the data and obtain absolute values for the penetration depth, λ. A model for the temperature dependence of the density of superconducting carriers, n_s ≈ λ², based on two <em>s</em>-wave gaps describes the data well. Below T_SC, a paramagnetic frequency shift was observed indicative of field-induced magnetism along the c crystallographic direction.</p> <p>Measurements of URu₂Si₂ under chemical and hydrostatic pressure have focused on measuring the spin correlations that are present in the hidden order phase. The chemical pressure that is induced by 5% Re doping perturbs, but does not destroy, the commensurate spin excitations. The spin gap that is present in the parent material is also present under this chemical doping. The hidden order phase survives at least halfway to the quantum critical point to ferromagnetism, but is weakened by the Re substitution.</p> <p>Under hydrostatic pressure of 10.1 kbar, URu₂Si₂ becomes antiferromagnetic, but the spin correlations are found to be qualitatively similar to those of the hidden order phase. The width in reciprocal space (Q-width) of the excitations and their gapped nature remains unchanged upon entering the antiferromagnetic phase. Quantitatively, there is an increase in the magnitude of the gap at Q = (1.4 0 0). This may be a result of the increase in the transition temperature preceding the entry to the antiferromagnetic phase.</p> <p>Due to the large difference in their properties, and hence the motivation for studying Ba(Fe_1-<em>x</em>Co<em>_x</em>)₂As₂ and URu₂Si₂, they will be introduced and presented separately. Chapter 1 will provide the necessary background material on Ba(Fe,Co)₂As₂, while Chapter 2 will provide the background for the work on URu₂Si₂. Chapter 3 will describe the experimental techniques that were used to study these systems.</p> <p>Original research results on Ba(Fe,Co)₂As₂ are presented in Chapter 4. This is mainly focused on µSR measurements of dopings that display superconductivity. Samples that did not order magnetically were measured in the mixed state to measure the vortex lattice to extract the various properties, including the superconducting pairing symmetry. Samples that did order magnetically were measured to analyze the amount of magnetic disorder and discover the extent of coexistence or phase separation between magnetism and superconductivity.</p> <p>Chapter 5 details the original research results on URu₂Si₂. This involved crystal growth of these compounds, and two neutron scattering experiments to measure the spin correlations while perturbing the hidden order state. The first experiment was done on a Re-doped crystal, URu_1.9Re_0.1Si₂. Doping with Re suppresses the hidden order, eventually leading to ferromagnetism at higher dopings. This work showed that the spin correlations are also suppressed, but not as quickly as the hidden order. The second experiment was on pure URu₂Si₂ under hydrostatic pressure. Applied pressure increases the hidden order transition, but eventually leads to antiferromagnetism, the phase in which the experiment was performed.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

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The recent discovery of high-temperature superconductivity in Fe-based materials triggered worldwide efforts to investigate their fundamental properties. Despite a lot of similarities to cuprates and MgB2, important differences like near isotropic behaviour in contrast to cuprates and the peculiar pairing symmetry of the order parameter (OP) have been reported. The OP symmetry of Fe-based superconductors (FBS) was theoretically predicted to be of so-called s± state prior to various experimental works. Still, most of the experimental results favour the s± scenario; however, definitive evidence has not yet been reported. Although no clear understanding of the superconducting mechanisms yet exists, potential applications such as high-field magnets and Josephson devices have been explored. Indeed, a lot of reports about FBS tapes, wires, and even SQUIDs have been published to this date. In this thesis, the feasibility of high-field magnet applications of FBS is addressed by studying their transport properties, involving doped BaFe2As2 (Ba-122) and LnFeAs(O,F) [Ln=Sm and Nd]. Particularly, it is important to study physical properties in a sample form (i.e. thin films) that is close to the conditions found in applications. However, the realisation of epitaxial FBS thin films is not an easy undertaking. Recent success in growing epitaxial FBS thin films opens a new avenue to delve into transport critical current measurements. The information obtained through this research will be useful for exploring high-field magnet applications. This thesis consists of 7 chapters: Chapter 1 describes the motivation of this study, the basic background of superconductivity, and a brief summary of the thin film growth of FBS. Chapter 2 describes experimental methods employed in this study. Chapter 3 reports on the fabrication of Co-doped Ba-122 thin films on various substrates. Particular emphasis lies on the discovery of fluoride substrates to be beneficial for epitaxy without compromising superconducting properties. It is worth mentioning, that a world record Tc of 28 K for Co-doped Ba-122 thin films is reported here. Chapter 4 describes high-field transport properties (up to dc 35 T) of epitaxial P-doped Ba-122 thin films prepared by MBE. Among the FBS, P-doped Ba-122 shows very high transport critical current densities, although the Tc is lower than for LnFeAs(O,F)[Ln=Sm and Nd]. Additionally, the film is microstructurally clean. These high Jc values are due to a high vortex line energy. Chapter 5 deals with transport properties of epitaxial SmFeAs(O,F) thin films. In the course of this work, a dc 45 T magnet has been used within collaboration with the National High Magnetic Field Laboratory at Tallahassee, FL, USA. SmFeAs(O,F) thin films have been prepared by molecular beam epitaxy (MBE). The investigated film shows a very high transport critical current density (Jc) of over 105 A/cm2 at 45T and 4.2K for both main crystallographic directions, which features favourable for high-field magnet applications. Additionally, by investigating the pinning properties, a dimensional crossover between the superconducting coherence length and the FeAs interlayer distance at 30-40K was observed. Chapter 6 reports on high-field transport properties of NdFeAs(O,F) thin films prepared by MBE. In this case, the transition from Abrikosov to Josephson vortices was observed around 20-30K. Additionally, the angular Jc data were scaled with the anisotropic GinzburgLandau approach. The obtained parameters at given temperature are observed to increase with decreasing temperature, which is different from Co-doped Ba-122. Chapter 7 summarises this work. / Die kürzliche Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitung in Fe-basierten Materialien löste weltweite Bemühungen aus, deren grundlegende Eigenschaften zu untersuchen. Neben vielen Gemeinsamkeiten mit den Kupraten und MgB2 sind wichtige Unterschiede wie nahezu isotropes Verhalten (im Gegensatz zu den Kupraten) und eine auffällige Paarungssymmetrie des Ordnungsparameters (OP) berichtet worden. Die OP-Symmetrie der Fe-basierten Supraleiter (FBS) wurde theoretisch als s± berechnet, noch bevor experimentelle Versuche unternommen wurden. Derzeit favorisieren experimentelle Ergebnisse das s±-Szenario, dennoch gibt es noch keine definitiven Nachweise. Obwohl noch kein komplettes Verständnis des supraleitenden Mechanismus existiert, wurden schon potentielle Anwendungen wie Josephson-Elemente und Hochfeldmagnete erforscht. In der Tat erschienen zahlreiche Veröffentlichungen über supraleitende Kabel, Bänder und auch SQUIDs. Diese Arbeit befasst sich mit der Durchführbarkeit von Hochfeld-Anwendungen durch die Untersuchung der Transporteigenschaften von FBS, namentlich Ba-122 und LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Es ist von großer Wichtigkeit, die physikalischen Eigenschaften in einer Probenform zu untersuchen, die der Form in Anwendungen nahekommt (z.B. Dünnschichten), um dieselben Rahmenbedingungen vorgeben zu können. Es ist jedoch nicht einfach, epitaktische FBS Dünnschichten zu realisieren. Kürzlich gewonnene Erkenntnisse in der Herstellung von epitaktischen FBS-Dünnschichten ermöglichen nun ein tieferes Eindringen in die Transporteigenschaften. Die in diesen Untersuchungen gewonnenen Informationen stellen somit wichtige Argumente in der Diskussion um Hochfeld Anwendungen dar. Diese Arbeit besteht aus sieben Kapiteln: Kapitel 1 beinhaltet die Motivation dieser Arbeit, die Grundlagen der Supraleitung und eine kurze Zusammenstellung der bisherigen Arbeiten zur Dünnschichtherstellung von FBS. Kapitel 2 beschreibt experimentelle Methoden, die im Zuge dieser Arbeit verwendet wurden. Kapitel 3 berichtet von der Herstellung Co-dotierter Ba-122 Dünnschichten (Co-Ba-122) auf verschiedenen Fluoridsubstraten. Dabei wurde Augenmerk darauf gelegt, neben einem verbesserten epitaktischen Wachstum der Dünnschichten die supraleitenden Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Anzumerken ist, dass in diesem Rahmen Tc-Rekord-Werte von 28 K in Co-Ba-122 erzielt werden konnten. Kapitel 4 beschreibt die Hochfeld-Transporteigenschaften epitaktisch gewachsener P-dotierter Ba-122 Dünnschichten, die durch MBE hergestellt wurden. Unter den FBS zeigt P-dotiertes Ba-122 enorm hohe kritische Transport-Stromdichten, obwohl das Tc niedriger ist als bei LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Der Grund dafür konnte in der hohen Flusslinienkern-Energie des P-dotierten Ba-122 ermittelt werden. Kapitel 5 behandelt Transporteigenschaften von epitaktisch gewachsenen SmFeAs(O,F)-Dünnschichten. In diesem Zusammenhang wurde ein dc-45 T-Hochfeldmagnet in Zusammenarbeit mit dem National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, USA, genutzt. SmFeAs(O,F)-Dünnschichten wurden mit dem Molekularstrahl-Verfahren (MBE) hergestellt. Die Schichten zeigen sehr hohe kritische Transport-Stromdichten (Jc) von über 105 A/cm2 bei 45 T und 4.2 K für beide kristallographische Hauptrichtungen, parallel zur c-Achse und in der ab-Ebene. Diese Ergebnisse sehen sehr verheißungsvoll für eine Verwendung in Hochfeld-Anwendungen aus. Zusätzlich konnte durch die Untersuchung der Pinning-Eigenschaften ein Dimensionsübergang zwischen supraleitender Kohärenzlänge und FeAs-Ebenenabstand im Bereich 30-40 K beobachtet werden. Kapitel 6 berichtet über die Hochfeld-Transporteigenschaften von NdFeAs(O,F)-Dünnschichten, die mithilfe des MBE-Verfahrens hergestellt wurden. In diesem Falle konnte ein Ubergang von Abrikosov- zu Josephson-Flusslinien im Temperaturbereich 20-30 K beobachtet werden. Zusätzlich konnte die winkelabhängige kritische Stromdichte mit dem anisotropen Ginzburg-Landau-Ansatz skaliert werden. Die erhaltenen Parameter für verschiedene Temperaturen steigen mit fallender Temperatur. Dieses Verhalten ist gegensätzlich zu dem in Co-dotiertem Ba-122 gefundenen. Kapitel 7 gibt eine Zusammenfassung dieser Arbeit.

Die Legierungsserie CeFeAs1−xPxO bietet die Möglichkeit, eine außergewöhnliche Vielfalt unterschiedlicher Grundzustände mit starken Korrelationen der 3d- und der 4f-Elektronen zu untersuchen. CeFePO ist an der Grenze zwischen einem paramagnetischen und einem ferromagnetischen Ce-Zustand und zeigt starke 4f-Korrelationen, die zu Schwere-Fermionen-Verhalten führen, während Fe unmagnetisch ist. Im Gegensatz dazu sind die Eigenschaften von CeFeAsO durch die 3d-Korrelationen des Fe dominiert, die zu antiferromagnetischer Ordnung unterhalb von T_N(Fe) = 145K führen, während sich Ce in einem stabilen dreiwertigen Zustand befindet und unterhalb von T_N(Ce) = 3.7K ebenfalls antiferromagnetisch ordnet. Man erwartet deshalb mindestens zwei kritische Punkte, an denen die magnetische Ordnung unterdrückt wird. Hier sollte insbesondere geklärt werden, ob bei diesen kritischen Konzentrationen Quantenphasenübergänge auftreten, bei denen die Ordnungstemperatur zu T = 0K verschoben ist und in denen die Ursache von Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten und unkonventioneller Supraleitung gesehen wird. Grundlage für die Untersuchungen war zunächst die Züchtung qualitativ hochwertiger Einkristalle hinreichender Größe, was im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gelungen ist. Hierzu wurde eine Sn-Flux Methode optimiert, mit der plättchenförmige Einkristalle mit Abmessungen von typischerweise 1mm x 1mm x 0.1mm und Massen bis 0.6mg erhalten werden konnten. Zur Bestimmung struktureller Parameter kamen Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie und chemische Analyse zum Einsatz. Physikalische Eigenschaften wurden vor allem durch Messungen der Spezifischen Wärmekapazität, der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes im Temperaturbereich T = 0.35 − 300K untersucht. Die antiferromagnetische Ordnung von Fe in CeFeAsO ist mit einer orthorhombischen Verzerrung verbunden, die bei einer etwas höheren Temperatur von T_0 = 151K stattfindet. Diese Phasenübergänge sind von besonderem Interesse, da ihre Unterdrückung zur Ausbildung von Hochtemperatur-Supraleitung in den Eisenpniktiden führt, ihr Wechselspiel aber nicht vollständig verstanden ist. Sie unterteilen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ρ(T) von CeFeAsO in zwei Bereiche. In der paramagnetischen tetragonalen Phase nimmt ρ(T) beim Abkühlen von Raumtemperatur aus bislang ungeklärter Ursache zunächst leicht zu. Erst mit Einsetzen der orthorhombischen Verzerrung bei T_0 kehrt sich die Temperaturabhängigkeit um und ρ(T) nimmt mit sinkender Temperatur ab, wobei die Abnahme bei T_N(Fe) nochmals stärker wird und bis zu tiefsten Temperaturen metallisches Verhalten beobachtet wird. Dass sich CeFeAsO somit nicht unmittelbar an der Grenze zu einem Mott-Isolator befindet, wie es in Anlehnung an die Kuprat-Supraleiter zunächst vermutet wurde, und Restwiderstandsverhältnisse von RRR > 10 überhaupt möglich sind, konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden. Durch sorgfältige Untersuchung des Temperaturunter- schiedes zwischen T_N(Fe) und T_0 und dem Vergleich mit dotierten und undotierten AFe2As2-Verbindungen konnte ein vereinheitlichtes Bild der Ausgangsverbindungen aller Fe-basierten Supraleiter geschaffen werden. In diesem tritt im Temperaturbereich T_N(Fe) < T < T_0 eine elektronische nematische Phase hervor, deren Existenzbereich durch die magnetische Kopplung entlang der kristallographischen c-Achse und deren Defektabhängigkeit bestimmt ist. Wie alle Substitutionen in RFeAsO-Verbindungen führt die Ersetzung von As durch P auch in CeFeAs1−xPxO zu einer Verringerung von T_N(Fe). Ein quantenkritischer Punkt mit T_N(Fe) --> 0K ist jedoch unwahrscheinlich, da ab einer kritischen Konzentration von x = 0.30 die Signatur der Eisen-Ordnung in ρ(T) zwar merklich schwächer wird, T_N(Fe) ≈ 40K bei weiterer Erhöhung von x aber nicht mehr zu tieferen Temperaturen schiebt. In Proben mit der kritischen Konzentration von x = 0.30 - und nur in diesem Konzentrationsbereich - konnte reproduzierbar ein verschwindender elektrischer Widerstand und damit ein Hinweis auf Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von T_SL= 4K gefunden werden. Im Gegensatz zur ’Dom-förmigen’ Abhängigkeit der Sprungtemperatur von der Konzentration eines Fremdatoms in den Phasendiagrammen anderer Fe-basierter Supraleiter nimmt jedoch T_SL in CeFeAs1−xPxO bei weiterer Erhöhung von x nicht zu. Stattdessen wird bei x > 0.30 ein ferromagnetisch geordneter Grundzustand (des Ce) stabilisiert, der mit Supraleitung konkurriert. Die antiferromagnetische Ordnung von Cer in undotiertem CeFeAsO weist typische Merkmale magnetischer Ordnung lokaler Momente auf und impliziert eine Dominanz der RKKY-Wechselwirkung gegenüber einem schwachen Kondo-Effekt. Die Ersetzung von As durch P wirkt als chemischer Druck und stabilisiert somit den unmagnetischen Valenzzustand Ce4+. Trotzdem ist die Ce-Ordnung bei kleinen P-Konzentrationen - im Gegensatz zur Fe- Ordnung - nahezu unverändert vom Verhalten in undotiertem CeFeAsO. Bei der kritischen Konzentration von x = 0.30 tritt überraschend ein plötzlicher Übergang von antiferromagnetischer zu ferromagnetischer Ordnung mit einer Curie-Temperatur von T_C(Ce) = 4K auf, der offensichtlich mit der Unterdrückung der Fe-Ordnung korreliert ist und nicht nur aus einem reinen Volumeneffekt resultiert. Als mögliche Ursache wird eine Umstrukturierung der Fermi-Fläche bei Unterdrückung der Fe-Ordnung betrachtet, die zu einem Vorzeichenwechsel der Austauschkopplung J_ij bei RKKY-Wechselwirkung führt. Bei hohen Phosphor-Konzentrationen sinkt T_C(Ce) und geht bei x = 0.90 von ferromagnetischer zur antiferromagnetischer Ordnung über, wie es bei Annäherung an einen quantenkritischen Punkt bereits in einer Vielzahl ferromagnetischer Systeme beobachtet wurde. In stöchiometrischem CeFePO wurde magnetisch kurzreichweitige Ordnung und Spin-Glas-Verhalten mit einer charakteristischen Temperatur von T_SG= 0.75K gefunden. Der Unterschied zur früher gemachten Beobachtung eines paramagnetischen Grundzustandes resultiert einzig aus Variationen bei der Synthese und ist in strukturellen Parametern nicht nachweisbar - eine für Schwere- Fermionen-Systeme typische Sensitivität! Der zweite kritische Punkt, an dem die Ce-Ordnung verschwinden sollte, liegt also nicht wie zu Beginn erwartet bei hohen P-Konzentrationen, sondern in stöchiometrischem CeFePO. Eine Wärmebehandlung von CeFePO bei T ∼ 800◦C kann zur gezielten Manipulation des Grundzustandes genutzt werden und hat zur Ausbildung von logarithmischer Divergenz der spezifischen Wärmekapazität C/T und damit einem ersten direkten Hinweis auf Quantenkritikalität geführt.

The recent discovery of high-temperature superconductivity in Fe-based materials triggered worldwide efforts to investigate their fundamental properties. Despite a lot of similarities to cuprates and MgB2, important differences like near isotropic behaviour in contrast to cuprates and the peculiar pairing symmetry of the order parameter (OP) have been reported. The OP symmetry of Fe-based superconductors (FBS) was theoretically predicted to be of so-called s± state prior to various experimental works. Still, most of the experimental results favour the s± scenario; however, definitive evidence has not yet been reported. Although no clear understanding of the superconducting mechanisms yet exists, potential applications such as high-field magnets and Josephson devices have been explored. Indeed, a lot of reports about FBS tapes, wires, and even SQUIDs have been published to this date. In this thesis, the feasibility of high-field magnet applications of FBS is addressed by studying their transport properties, involving doped BaFe2As2 (Ba-122) and LnFeAs(O,F) [Ln=Sm and Nd]. Particularly, it is important to study physical properties in a sample form (i.e. thin films) that is close to the conditions found in applications. However, the realisation of epitaxial FBS thin films is not an easy undertaking. Recent success in growing epitaxial FBS thin films opens a new avenue to delve into transport critical current measurements. The information obtained through this research will be useful for exploring high-field magnet applications. This thesis consists of 7 chapters: Chapter 1 describes the motivation of this study, the basic background of superconductivity, and a brief summary of the thin film growth of FBS. Chapter 2 describes experimental methods employed in this study. Chapter 3 reports on the fabrication of Co-doped Ba-122 thin films on various substrates. Particular emphasis lies on the discovery of fluoride substrates to be beneficial for epitaxy without compromising superconducting properties. It is worth mentioning, that a world record Tc of 28 K for Co-doped Ba-122 thin films is reported here. Chapter 4 describes high-field transport properties (up to dc 35 T) of epitaxial P-doped Ba-122 thin films prepared by MBE. Among the FBS, P-doped Ba-122 shows very high transport critical current densities, although the Tc is lower than for LnFeAs(O,F)[Ln=Sm and Nd]. Additionally, the film is microstructurally clean. These high Jc values are due to a high vortex line energy. Chapter 5 deals with transport properties of epitaxial SmFeAs(O,F) thin films. In the course of this work, a dc 45 T magnet has been used within collaboration with the National High Magnetic Field Laboratory at Tallahassee, FL, USA. SmFeAs(O,F) thin films have been prepared by molecular beam epitaxy (MBE). The investigated film shows a very high transport critical current density (Jc) of over 105 A/cm2 at 45T and 4.2K for both main crystallographic directions, which features favourable for high-field magnet applications. Additionally, by investigating the pinning properties, a dimensional crossover between the superconducting coherence length and the FeAs interlayer distance at 30-40K was observed. Chapter 6 reports on high-field transport properties of NdFeAs(O,F) thin films prepared by MBE. In this case, the transition from Abrikosov to Josephson vortices was observed around 20-30K. Additionally, the angular Jc data were scaled with the anisotropic GinzburgLandau approach. The obtained parameters at given temperature are observed to increase with decreasing temperature, which is different from Co-doped Ba-122. Chapter 7 summarises this work. / Die kürzliche Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitung in Fe-basierten Materialien löste weltweite Bemühungen aus, deren grundlegende Eigenschaften zu untersuchen. Neben vielen Gemeinsamkeiten mit den Kupraten und MgB2 sind wichtige Unterschiede wie nahezu isotropes Verhalten (im Gegensatz zu den Kupraten) und eine auffällige Paarungssymmetrie des Ordnungsparameters (OP) berichtet worden. Die OP-Symmetrie der Fe-basierten Supraleiter (FBS) wurde theoretisch als s± berechnet, noch bevor experimentelle Versuche unternommen wurden. Derzeit favorisieren experimentelle Ergebnisse das s±-Szenario, dennoch gibt es noch keine definitiven Nachweise. Obwohl noch kein komplettes Verständnis des supraleitenden Mechanismus existiert, wurden schon potentielle Anwendungen wie Josephson-Elemente und Hochfeldmagnete erforscht. In der Tat erschienen zahlreiche Veröffentlichungen über supraleitende Kabel, Bänder und auch SQUIDs. Diese Arbeit befasst sich mit der Durchführbarkeit von Hochfeld-Anwendungen durch die Untersuchung der Transporteigenschaften von FBS, namentlich Ba-122 und LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Es ist von großer Wichtigkeit, die physikalischen Eigenschaften in einer Probenform zu untersuchen, die der Form in Anwendungen nahekommt (z.B. Dünnschichten), um dieselben Rahmenbedingungen vorgeben zu können. Es ist jedoch nicht einfach, epitaktische FBS Dünnschichten zu realisieren. Kürzlich gewonnene Erkenntnisse in der Herstellung von epitaktischen FBS-Dünnschichten ermöglichen nun ein tieferes Eindringen in die Transporteigenschaften. Die in diesen Untersuchungen gewonnenen Informationen stellen somit wichtige Argumente in der Diskussion um Hochfeld Anwendungen dar. Diese Arbeit besteht aus sieben Kapiteln: Kapitel 1 beinhaltet die Motivation dieser Arbeit, die Grundlagen der Supraleitung und eine kurze Zusammenstellung der bisherigen Arbeiten zur Dünnschichtherstellung von FBS. Kapitel 2 beschreibt experimentelle Methoden, die im Zuge dieser Arbeit verwendet wurden. Kapitel 3 berichtet von der Herstellung Co-dotierter Ba-122 Dünnschichten (Co-Ba-122) auf verschiedenen Fluoridsubstraten. Dabei wurde Augenmerk darauf gelegt, neben einem verbesserten epitaktischen Wachstum der Dünnschichten die supraleitenden Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Anzumerken ist, dass in diesem Rahmen Tc-Rekord-Werte von 28 K in Co-Ba-122 erzielt werden konnten. Kapitel 4 beschreibt die Hochfeld-Transporteigenschaften epitaktisch gewachsener P-dotierter Ba-122 Dünnschichten, die durch MBE hergestellt wurden. Unter den FBS zeigt P-dotiertes Ba-122 enorm hohe kritische Transport-Stromdichten, obwohl das Tc niedriger ist als bei LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Der Grund dafür konnte in der hohen Flusslinienkern-Energie des P-dotierten Ba-122 ermittelt werden. Kapitel 5 behandelt Transporteigenschaften von epitaktisch gewachsenen SmFeAs(O,F)-Dünnschichten. In diesem Zusammenhang wurde ein dc-45 T-Hochfeldmagnet in Zusammenarbeit mit dem National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, USA, genutzt. SmFeAs(O,F)-Dünnschichten wurden mit dem Molekularstrahl-Verfahren (MBE) hergestellt. Die Schichten zeigen sehr hohe kritische Transport-Stromdichten (Jc) von über 105 A/cm2 bei 45 T und 4.2 K für beide kristallographische Hauptrichtungen, parallel zur c-Achse und in der ab-Ebene. Diese Ergebnisse sehen sehr verheißungsvoll für eine Verwendung in Hochfeld-Anwendungen aus. Zusätzlich konnte durch die Untersuchung der Pinning-Eigenschaften ein Dimensionsübergang zwischen supraleitender Kohärenzlänge und FeAs-Ebenenabstand im Bereich 30-40 K beobachtet werden. Kapitel 6 berichtet über die Hochfeld-Transporteigenschaften von NdFeAs(O,F)-Dünnschichten, die mithilfe des MBE-Verfahrens hergestellt wurden. In diesem Falle konnte ein Ubergang von Abrikosov- zu Josephson-Flusslinien im Temperaturbereich 20-30 K beobachtet werden. Zusätzlich konnte die winkelabhängige kritische Stromdichte mit dem anisotropen Ginzburg-Landau-Ansatz skaliert werden. Die erhaltenen Parameter für verschiedene Temperaturen steigen mit fallender Temperatur. Dieses Verhalten ist gegensätzlich zu dem in Co-dotiertem Ba-122 gefundenen. Kapitel 7 gibt eine Zusammenfassung dieser Arbeit.

Die Legierungsserie CeFeAs1−xPxO bietet die Möglichkeit, eine außergewöhnliche Vielfalt unterschiedlicher Grundzustände mit starken Korrelationen der 3d- und der 4f-Elektronen zu untersuchen. CeFePO ist an der Grenze zwischen einem paramagnetischen und einem ferromagnetischen Ce-Zustand und zeigt starke 4f-Korrelationen, die zu Schwere-Fermionen-Verhalten führen, während Fe unmagnetisch ist. Im Gegensatz dazu sind die Eigenschaften von CeFeAsO durch die 3d-Korrelationen des Fe dominiert, die zu antiferromagnetischer Ordnung unterhalb von T_N(Fe) = 145K führen, während sich Ce in einem stabilen dreiwertigen Zustand befindet und unterhalb von T_N(Ce) = 3.7K ebenfalls antiferromagnetisch ordnet. Man erwartet deshalb mindestens zwei kritische Punkte, an denen die magnetische Ordnung unterdrückt wird. Hier sollte insbesondere geklärt werden, ob bei diesen kritischen Konzentrationen Quantenphasenübergänge auftreten, bei denen die Ordnungstemperatur zu T = 0K verschoben ist und in denen die Ursache von Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten und unkonventioneller Supraleitung gesehen wird. Grundlage für die Untersuchungen war zunächst die Züchtung qualitativ hochwertiger Einkristalle hinreichender Größe, was im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gelungen ist. Hierzu wurde eine Sn-Flux Methode optimiert, mit der plättchenförmige Einkristalle mit Abmessungen von typischerweise 1mm x 1mm x 0.1mm und Massen bis 0.6mg erhalten werden konnten. Zur Bestimmung struktureller Parameter kamen Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie und chemische Analyse zum Einsatz. Physikalische Eigenschaften wurden vor allem durch Messungen der Spezifischen Wärmekapazität, der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes im Temperaturbereich T = 0.35 − 300K untersucht. Die antiferromagnetische Ordnung von Fe in CeFeAsO ist mit einer orthorhombischen Verzerrung verbunden, die bei einer etwas höheren Temperatur von T_0 = 151K stattfindet. Diese Phasenübergänge sind von besonderem Interesse, da ihre Unterdrückung zur Ausbildung von Hochtemperatur-Supraleitung in den Eisenpniktiden führt, ihr Wechselspiel aber nicht vollständig verstanden ist. Sie unterteilen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ρ(T) von CeFeAsO in zwei Bereiche. In der paramagnetischen tetragonalen Phase nimmt ρ(T) beim Abkühlen von Raumtemperatur aus bislang ungeklärter Ursache zunächst leicht zu. Erst mit Einsetzen der orthorhombischen Verzerrung bei T_0 kehrt sich die Temperaturabhängigkeit um und ρ(T) nimmt mit sinkender Temperatur ab, wobei die Abnahme bei T_N(Fe) nochmals stärker wird und bis zu tiefsten Temperaturen metallisches Verhalten beobachtet wird. Dass sich CeFeAsO somit nicht unmittelbar an der Grenze zu einem Mott-Isolator befindet, wie es in Anlehnung an die Kuprat-Supraleiter zunächst vermutet wurde, und Restwiderstandsverhältnisse von RRR > 10 überhaupt möglich sind, konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden. Durch sorgfältige Untersuchung des Temperaturunter- schiedes zwischen T_N(Fe) und T_0 und dem Vergleich mit dotierten und undotierten AFe2As2-Verbindungen konnte ein vereinheitlichtes Bild der Ausgangsverbindungen aller Fe-basierten Supraleiter geschaffen werden. In diesem tritt im Temperaturbereich T_N(Fe) < T < T_0 eine elektronische nematische Phase hervor, deren Existenzbereich durch die magnetische Kopplung entlang der kristallographischen c-Achse und deren Defektabhängigkeit bestimmt ist. Wie alle Substitutionen in RFeAsO-Verbindungen führt die Ersetzung von As durch P auch in CeFeAs1−xPxO zu einer Verringerung von T_N(Fe). Ein quantenkritischer Punkt mit T_N(Fe) --> 0K ist jedoch unwahrscheinlich, da ab einer kritischen Konzentration von x = 0.30 die Signatur der Eisen-Ordnung in ρ(T) zwar merklich schwächer wird, T_N(Fe) ≈ 40K bei weiterer Erhöhung von x aber nicht mehr zu tieferen Temperaturen schiebt. In Proben mit der kritischen Konzentration von x = 0.30 - und nur in diesem Konzentrationsbereich - konnte reproduzierbar ein verschwindender elektrischer Widerstand und damit ein Hinweis auf Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von T_SL= 4K gefunden werden. Im Gegensatz zur ’Dom-förmigen’ Abhängigkeit der Sprungtemperatur von der Konzentration eines Fremdatoms in den Phasendiagrammen anderer Fe-basierter Supraleiter nimmt jedoch T_SL in CeFeAs1−xPxO bei weiterer Erhöhung von x nicht zu. Stattdessen wird bei x > 0.30 ein ferromagnetisch geordneter Grundzustand (des Ce) stabilisiert, der mit Supraleitung konkurriert. Die antiferromagnetische Ordnung von Cer in undotiertem CeFeAsO weist typische Merkmale magnetischer Ordnung lokaler Momente auf und impliziert eine Dominanz der RKKY-Wechselwirkung gegenüber einem schwachen Kondo-Effekt. Die Ersetzung von As durch P wirkt als chemischer Druck und stabilisiert somit den unmagnetischen Valenzzustand Ce4+. Trotzdem ist die Ce-Ordnung bei kleinen P-Konzentrationen - im Gegensatz zur Fe- Ordnung - nahezu unverändert vom Verhalten in undotiertem CeFeAsO. Bei der kritischen Konzentration von x = 0.30 tritt überraschend ein plötzlicher Übergang von antiferromagnetischer zu ferromagnetischer Ordnung mit einer Curie-Temperatur von T_C(Ce) = 4K auf, der offensichtlich mit der Unterdrückung der Fe-Ordnung korreliert ist und nicht nur aus einem reinen Volumeneffekt resultiert. Als mögliche Ursache wird eine Umstrukturierung der Fermi-Fläche bei Unterdrückung der Fe-Ordnung betrachtet, die zu einem Vorzeichenwechsel der Austauschkopplung J_ij bei RKKY-Wechselwirkung führt. Bei hohen Phosphor-Konzentrationen sinkt T_C(Ce) und geht bei x = 0.90 von ferromagnetischer zur antiferromagnetischer Ordnung über, wie es bei Annäherung an einen quantenkritischen Punkt bereits in einer Vielzahl ferromagnetischer Systeme beobachtet wurde. In stöchiometrischem CeFePO wurde magnetisch kurzreichweitige Ordnung und Spin-Glas-Verhalten mit einer charakteristischen Temperatur von T_SG= 0.75K gefunden. Der Unterschied zur früher gemachten Beobachtung eines paramagnetischen Grundzustandes resultiert einzig aus Variationen bei der Synthese und ist in strukturellen Parametern nicht nachweisbar - eine für Schwere- Fermionen-Systeme typische Sensitivität! Der zweite kritische Punkt, an dem die Ce-Ordnung verschwinden sollte, liegt also nicht wie zu Beginn erwartet bei hohen P-Konzentrationen, sondern in stöchiometrischem CeFePO. Eine Wärmebehandlung von CeFePO bei T ∼ 800◦C kann zur gezielten Manipulation des Grundzustandes genutzt werden und hat zur Ausbildung von logarithmischer Divergenz der spezifischen Wärmekapazität C/T und damit einem ersten direkten Hinweis auf Quantenkritikalität geführt.