NiAl ist eine intermetallische Verbindung mit kubischer B2-Struktur. Unterhalb der Spröd-duktil-Übergangstemperatur, die bei Normaldruck bei etwa 300°C liegt, können nach dem Von-Mises-Kriterium nicht ausreichend viele unabhängige Gleitsysteme zur homogenen plastischen Verformung aktiviert werden, da die Bruchspannung unterhalb der kritischen Schubspannung zur Aktivierung des sekundären Gleitsystems liegt. Um NiAl trotzdem massiv plastisch verformen zu können, muss die Verformung bei hohem Druck erfolgen. Dies ist beispielsweise möglich bei der Verformung mittels Gleichkanal- Winkelpressen (ECAP) oder Hochdrucktorsion (HPT). Hierbei werden sehr hohe Verformungsgrade erreicht. In dieser Arbeit wird nun die Gefüge- und Texturentwicklung bei Verformung mittels HPT bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 500°C in Abhängigkeit von Temperatur und hydrostatischem Druck sowie Verformungsgrad untersucht und mit den entsprechenden Größen bei der Verformung mit ECAP verglichen. Es zeigt sich, dass bei der HPT-Verformung die für kubisch-raumzentrierte Metalle typische Schertextur auftritt; zudem findet sich ab einer Verformungstemperatur von 100°C eine geneigte Würfellage, die durch dynamische Rekristallisation entstanden ist und deren Intensität mit der Verformungstemperatur ansteigt. Auch bei den ECAP-Proben findet man die typische Schertextur, eine Würfeltextur tritt nicht auf. Bei beiden Prozessen kommt es zur Kornfeinung, die beeinflusst wird von Verformungstemperatur, Druck und Verformungsgrad. Eine verbesserte Duktilität kann im Zugversuch nicht festgestellt werden, während eine gesteigerte Festigkeit durch Mikro- härtemessungen bestätigt wird. Bei genügend hoher Verformung findet man auch nach der Verformung von Einkristallen eine typische Schertextur. / NiAl is an intermetallic compound with a cubic B2 structure. Below the brittle-to-ductile transition temperature at about 300°C under ambient pressure the number of independent slip systems that have to be activated for a homogeneous plastic deformation is not sufficiently high according to the von Mises criterion. This is because the fracture stress is smaller than the critical yield stress for the activation of the secondary slip system. Despite this, severe plastic deformation is possible under a high pressure. It can be realized by deforming by equal channel angular pressing (ECAP) or high pressure torsion (HPT). Thereby a very high degree of deformation is reached. In this work, texture and microstructure evolution after deformation by HPT at different tem- peratures between room temperature and 500°C and at different hydrostatic pressures and degrees of deformation are analysed and compared to texture and microstructure after ECAP. After deformation by HPT, a texture typical for sheared body-centred metals is found; besides, for a deformation temperature of 100°C and higher an oblique cube component appears. It develops by dynamic recrystallization and grows with increasing deformation temperature. The shear texture also arises in the ECAP deformed samples, but no oblique cube texture is found. Both processes lead to grain refinement, which is influenced by deformation temperature, pressure, and degree of deformation. Tensile testing doesn’t show an enhanced ductility, but an improved strength is confirmed by microhardness measurements. If the degree of deformation is high enough, a shear texture can even be found after deforming single crystals.

The main focus of this work is the preparation, chemical and structural characterization along with the investigation of physical properties of intermetallic clathrates. Starting from the history of clathrate research, classification of clathrate types, their structural properties and possible application areas are evaluated in chapter 2. The methodologies of sample preparation and materials characterization as well as quantum chemical calculations are discussed in chapter 3. The complete characterization of Ba8Ge433 ( is a Schottky-symbol standing for vacancies),12-14 which is a parent compound for the variety of ternary variants, is the subject of chapter 4. Ba8Ge433 is a high temperature phase,12 which was prepared for the first time as single phase bulk material in this work.15, 16 In this way, the intrinsic transport properties could be investigated without influence of grain boundary and impurity effects. The transport behavior is analyzed at low and high temperatures and referred to the former results. In addition, crystal structure and vacancy ordering in terms of the reaction conditions are discussed. Chemical bonding in Ba8Ge433 is investigated by topological analysis of the electron localizability indicator and the electron density. Chapter 5 deals with the preparation, phase analysis, crystal structure and physical properties of BaGe5, which constitutes a new clathrate type oP60.17, 18 So far, two clathrate types were known in the binary system Ba – Ge, namely the clathrate cP124 Ba6Ge25,19-21 and the clathrate-I Ba8Ge433. Originally, BaGe5 was detected by optical and scanning electron microscopy within the grains of Ba8Ge433.12 Once the preparation of phase-pure Ba8Ge433 was achieved, it became possible to make detailed investigations of its decomposition along with the formation of BaGe5. A detailed theoretical and experimental analysis on the relation between crystal structure and physical properties of BaGe5 is presented. In chapter 6, a thorough structural characterization and the physical properties of clathrates in the system Ba – Ni – Ge is presented based on the subtle relation between the crystal structure containing vacancies and the thermoelectric properties. During the investigations in this system, a large single crystal was grown by Nguyen et al. 22, 23 from the melt with the composition Ba8Ni3.5Ge42.10.4. A systematic reinvestigation of the phase relations in this system was performed and the influence of different Ni content to the crystal structure and physical properties is evaluated. The Si-based ternary clathrate with composition Ba8–δNixySi46–x–y is the subject of chapter 7. The phase relations and the homogeneity range are established. The crystal structure taking into account vacancies in the framework is discussed. Physical properties of bulk pieces are analyzed and the results are related to the sample composition. In addition, first-principles electronic structure calculations are carried out to assess variations in the electronic band structure, phase stability and chemical bonding.24 Chapter 8 reports on the intermetallic compound Ba3Si4,25, 26 which was encountered during the investigations on the Ba – Ni – Si phase diagram. The discussion covers issues related to preparation, crystal structure, phase diagram analysis, electrical and magnetic properties, NMR measurements, quantum mechanical calculations and oxidation to nanoporous silicon with gaseous HCl. Besides my contributions to the NoE CMA, I studied under the Priority Program 1178 of Deutsche Forschungsgemeinschaft “Experimental electron density as the key for understanding chemical interactions” with the project of “Charge distribution changes by external electric fields: investigations of bond selective redistributions of valence electron densities”. Chapter 9 deals with the preparation of chalcopyrites ZnSiP2 and CuAlS2 for experimental charge density analysis. Both phases show semiconducting properties and have non-centrosymmetric structures with high space group symmetry as needed to investigate the structural changes induced by external electric field. In this chapter, I describe the preparation and the crystal structure analyses of ZnSiP2 and CuAlS2 including issues related to the data collection as well as the results of NMR investigation.

Die vorliegenden Dissertation berichtet von der Entdeckung ungewöhnlicher magnetischer, elektronischer und struktureller Eigenschaften in einer Reihe von neuen intermetallischen Verbindungen auf Selten-Erd-Basis. Die untersuchten Systeme vom Typ RET2X bestehen aus den Selten-Erd-Elementen (RE) Yb oder Lu, den Übergangsmetallen (T) Pt oder Pd sowie den weiteren Liganden (X) Sn oder In. Die Synthese der verwendeten Proben, deren kristallografische Analyse und die Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften werden im Detail vorgestellt. Diese Arbeit liefert Resultate, die sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technische Anwendungen eine große Relevanz besitzen. Die Untersuchungen der neuen Verbindungen YbPt2Sn und YbPt2In zeigen, dass die magnetische Kopplung zwischen benachbarten Yb-Ionen extrem schwach ist. Dies führt zu einem riesigen magnetokalorischen Effekt im Bereich von 0.05 K bis 2 K. Damit besitzen beide metallischen Materialien optimale Eigenschaften, um als Kühlkörper in Entmagnetisierungskryostaten Verwendung zu finden. Zwei zu Testzwecken aufgebaute Kühleinsätze auf YbPt2Sn-Basis bestätigen die Eignung dieser Verbindung als metallisches Kühlmaterial. Die Untersuchungen der Substitutionsreihe Lu(Pt1-xPdx)2In offenbaren einen Ladungsdichtewelle (CDW)-Phasenübergang mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Im Gegensatz zu Beobachtungen in den meisten anderen bekannten CDW-Systemen ist der Übergang in LuPt2In kontinuierlich, d. h. zweiter Ordnung. Durch Ersetzen von Pt mit isovalenten Pd kann die Übergangstemperatur T_CDW kontinuierlich zum absoluten Temperaturnullpunkt geführt werden. Die beobachteten Eigenschaften zeigen, dass der Phasenübergang dabei zweiter Ordnung bleibt. Damit wird experimentell bewiesen, dass Lu(Pt1-xPdx)2In eines der seltenen Systeme ist, in denen ein CDW quantenkritischer Punkt in Erscheinung tritt. Noch außergewöhnlicher ist die Beobachtung von Supraleitung mit einem ausgeprägten Maximum in der Sprungtemperatur T_c genau am quantenkritischen Punkt. Das deutet auf eine neuartige Kopplung zwischen quantenkritischer CDW und Supraleitung hin.

The aim of the present work is to clarify the interplay between the complex technological chain of crystal preparation, chemical and structural perfection of grown crystals of intermetallic compounds and oxides and their physical properties. This technological chain includes detailed studies of unknown or insufficiently known phase diagrams, their correlation with growth conditions and optimisation of process parameters for obtaining single crystals with high chemical and physical perfection. The measurements of the physical properties of the grown crystals such as superconductivity, thermoelectric or dielectric properties not only show new features and properties for application of the materials obtained, but also allow conclusions of the crystal perfection. The studies are focused on the following systems: RENi2B2C borocarbides (RE=Y, Tb or Ho) displaying superconductivity, magnetic order and a strong interplay between magnetic and superconducting properties for YNi2B2C, TbNi2B2C, HoNi2B2C, respectively; CeSi2-?Ô and Ru2Si3 as examples of systems with magnetic and promising thermoelectric properties, respectively; MgB2 and LiBC to test of theoretical predictions of the new superconducting intermetallic compounds discovered in the last years; SrTiO3 and SrZrO3 oxide compounds with special dielectric and optical properties. For this wide spectrum of substances necessarily different growth techniques were applied. That is mainly the floating zone (FZ) or travelling solvent floating zone (TSFZ) techniques with optical heating. Flux techniques were used if the vapour pressure of composing elements is high such as for Mg and Li. The crucible free FZ technique is very attractive for the crystal growth of these intermetallic and oxide compounds to avoid contamination with the crucible material, if the melts have very high chemical reactivity, high melting temperatures and if a large crystal size (at least 3-5 mm) is desired for corresponding physical measurements. One special aim in the presented work is the optimisation of the preparation and growth process features with respect to crystal perfection, establishing new relationships between process parameters, crystal perfection, crystallographic structure, composition of grown crystals and the related physical properties. Optimisation of crystal growth process requires own constitutional studies of growth relevant parts of corresponding multicomponent phase diagrams. Therefore, parts of the phase diagrams were experimentally revealed by differential thermal analysis (DTA), optical metallography and EPMA and partially combined with CALPHAD calculations.

Die Dissertation beschreibt Untersuchungen der intermetallischen Verbindungen TbxY1-xNi2B2C bzw. TbxEr1-xNi2B2C, Tb2PdSi3 sowie Dy2PdSi3, die sich auszeichnen durch physikalische Erscheinungen, die durch die Wechselwirkung der magnetischen Momente der Seltenerd (SE)-Ionen mit den Leitungselektronen hervorgerufen werden. Sie umfasst Beiträge zur Konstitution der Legierungssysteme, methodische Untersuchungen zur Einkristallzüchtung, zur Charakterisierung der Homogenität und Perfektion der Kristalle und zu physikalischen Eigenschaften (Supraleitung, Magnetismus). Die für das Erstarrungs- und Schmelzverhalten der intermetallischen Phasen relevanten quasi-binären Schnitte der Tb-(Y, Er)-Ni-B-C bzw. Tb(Dy)-Pd-Si-Phasendiagramme, die bisher noch nicht bekannt waren, konnten bestimmt werden. Damit wurden die Prozessparameter der Einkristallzüchtung durch tiegelfreies Zonenschmelzen optimiert. Die unterschiedlichen Erstarrungstypen, peritektische Erstarrung (SENi2B2C) bzw. kongruentes Erstarren (SE2PdSi3), wurden durch unterschiedliche Ziehgeschwindigkeiten bei der Einkristallzüchtung berücksichtigt. An den massiven Einkristallen wurden Homogenitätsuntersuchungen hinsichtlich Elementkonzentration und physikalischer Eigenschaften (Tc, Tn, RRR) als Funktion der Längskoordinate durchgeführt, die geringe Eigenschaftsunterschiede der einkristallinen Proben nachweisen. Aus der Zusammensetzungsänderung über die Kristalllänge konnte in Verbindung mit in-situ Messungen der Zonentemperatur ein einfaches Prozessmodell des Zonenschmelzens der untersuchten Verbindungen entwickelt werden. Die Korrelation von magnetischen und supraleitenden Eigenschaften der Borokarbidmischreihen werden primär vom Verhältnis der Seltenen Erden bestimmt aber auch durch die Konzentration der weiteren Elemente. An Einkristallen konnte eine Anisotropie des oberen kritischen Feldes der Supraleitung von TbxY1-xNi2B2C gezeigt werden, die durch die magnetischen Tb-Ionen bestimmt wird. Die Untersuchungen der Tb2PdSi3- und Dy2PdSi3-Einkristalle ergaben eine Anisotropie der magnetoelektrischen Eigenschaften. / In this thesis investigations of the intermetallic compounds TbxY1-xNi2B2C, TbxEr1-xNi2B2C, Tb2PdSi3 and Dy2PdSi3 are presented. These compounds exhibit interesting physical phenomena caused by the interaction of the rare earth (RE) magnetic moments on the conduction electrons. Moreover, contributions on the constitution of the alloy systems, basic investigations of crystal growth process, homogeneity, microstructure and physical properties (superconductivity, magnetism) of the crystals are given. The quasi-binary sections of the Tb-(Y, Er)-Ni-B-C and Tb(Dy)-Pd-Si-phase diagrams which are relevant for the crystallisation of the different intermetallic phases have been determined for the first time. They were utilised for optimisation of the process parameters of single crystal growth by floating-zone melting. Because of the different solidification modes of RENi2B2C (peritectic solidification) and RE2PdSi3 (congruent solidification) different growth velocities have been employed in crystal growth. The composition and the physical properties (Tc, Tn, RRR) have been investigated as function of the crystal axis co-ordinate. As these properties show only a slight shift over the crystal length samples are representative for the whole crystal. From the slight composition shift over the crystal length a process model of the floating zone growth has been developed utilising the in-situ measurements of the zone-temperature. The correlation of magnetic and superconducting properties of the borocarbide solid solution compounds are mainly governed by the RE-fraction but they are also influenced by the concentration of the other elements. For TbxY1-xNi2B2C single crystals an anisotropic upper critical field of superconductivity has been detected which is induced by the magnetic Tb-ions. The investigations of Tb2PdSi3 and Dy2PdSi3 revealed an anisotropy of the magnetoresistive properties.

Die Arbeit beinhaltet eine Untersuchung der magnetischen Anregungen in NdCu2 mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die Zielsetzung besteht darin, die zur Beschreibung der magnetischen Eigenschaften notwendige Austauschwechselwirkung zu charakterisieren. Dazu wurden die Spinwellendispersionsrelationen in mehreren magnetischen Phasen gemessen (ferro-, ferri-, antiferromagnetisch; magnetische Momente parallel b). Die Lage der in der ferromagnetischen Phase F3 erwarteten zwei Dispersionszweige konnte vollständig bestimmt werden. Auffälligstes Merkmal ist ein ausgeprägtes Minimum an der Stelle q=(0.35,0,0), welches eine Energielücke im Anregungsspektrum definiert. Die Lage des Minimums fällt mit keinem der in NdCu2 beobachteten magnetischen Ordnungsvektoren zusammen, wodurch die starke magnetischen Anisotropie des Systems zum Ausdruck kommt. An die experimentell ermittelte Spinwellendispersion in der Phase F3 wurde ein MF-RPA-Modell angepaßt, welches einen Satz magnetischer Kopplungsparameter liefert. Durch Anwendung dieser Kopplungsparameter auf andere Verbindungen der RCu2-Reihe lassen sich Aussagen zum magnetischen Ordnungsprozeß in diesen Verbindungen machen. Werden die magnetischen Momente durch Anlegen eines starken Magnetfeldes in c-Richtung ausgerichtet, so läßt sich die Austauschkopplung innerhalb der ab-Ebene untersuchen. Die magnetischen Anregungen wurden bei µ0Hc=12T und T=2K gemessen. Das Minimum im Anregungsspektrum liegt jetzt bei q=(0.6,0,0) und damit im Bereich der magnetischen Ordnungsvektoren. Ein besonders interessantes Phänomen innerhalb der RCu2-Reihe ist die sogenannte Achsenkonversion. Mittels elastischer Neutronenstreuung konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Achsenkonversion auch in RCu2-Verbindungen auftritt, in denen die leichte Magnetisierungsrichtung parallel zur orthorhombischen b-Achse liegt. In NdCu2 deuten starke magnetostriktive Effekte und das Zusammenbrechen eines Bragg-Reflexes bei µ0Hc=12.5T und T=2K auf einen strukturellen Phasenübergang hin. Im abnehmenden äußeren Magnetfeld relaxieren die strukturellen Änderungen bis zum Erreichen des Nullfeldes nicht. Nach der Konversion wurde zwischen µ0Hc=0T und 6T eine neue antiferromagnetische Phase beobachtet. Die Rückkonversion in den Ausgangszustand erfolgt durch Erwärmung der Probe auf T=130K.