The focus of this thesis lies on the thermoelectric transport properties of rare-earth compounds containing Ce, Eu, and Yb. These systems have been investigated either to study fundamental problems or to evaluate their potential for thermoelectric applications.

In unserem alltäglichen Leben nehmen Kunststoffe eine immer größere Rolle ein. Die organische Struktur dieser Materialien bedingt die Brennbarkeit derselbigen und birgt somit eine Gefahr, die allgegenwärtig ist. Flammschutz von Polymeren ist daher eine wichtige Eigenschaft. Der Markt an Flammschutzadditiven ist bereits sehr breit gefächert. Allerdings gibt es nur wenig Studien, die systematisch Struktur und Flammschutzwirkung betrachten. So war es das Ziel dieser Arbeit, durch die Untersuchung zweier systematisch variierter Polymergruppen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu entwicklen, die das Verständnis von Flammschutzadditiven erweitern. Die erste Gruppe bestand aus Polyestern mit einem gleichbleibenden Polymerrückrat an dem phosphorhaltige Seitenketten systematisch variiert wurden. In der zweiten Gruppe wurde das Polymergrundgerüst bei gleichbleibendem Substituenten variiert. Die Strukturen wurden umfassend hinsichtlich ihres Abbaus untersucht, so das durch Korrelation von Abbauverhalten und erarbeiteten Abbaumechanismen Zusammenhänge zwischen der nativen Polymerstruktur und dem Flammschutzverhalten gefunden werden konnten. Es lässt sich nachweisen, dass das Hauptabbaumaximum fast vollständig durch die Polymergrundkette dirigiert wird. Der Substituent hat wenig Einflauss darauf, womit sich die Möglichkeit ergibt Flammschutzadditive gezielt and das Abbaumaximum des zu schützenden Matrixpolymers anzupassen. Die strukturelle Veränderung des phosphorhaltigen Substituenten hingegen ermöglich es das Flammschutzadditv in seiner Wirkungsweise, also Aktivität in der Gasphase oder kondensierten Phase, anzupassen. Sehr wesentlich, besonders mit Blick auf die Rückstandbildung, ist das Zusammenspiel zwischen Substituent und Polymerrückgrat. Bei geeigneter Wahl aliphatischer und aromatischer Anteile lassen sich so Flammschutzadditive herstellen, die einerseits gut zu verarbeiten sind, andererseits aber auch einen möglichst hohen Rückstand erzeugen. Mit Kenntnis dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist es zukünftig möglich, polymere Flammschutzadditive zielgerichteter zu entwickeln. So lässt sich das Additiv in seiner Wirkung nicht nur an das Matrixpolymer anpassen, sondern auch an die primären Brandgefahren in dessen Endanwendung. Eine Under-the-hood-Anwendung im Automobilbau fordert andere Flammschutzeigenschaften als die Verwendung im häuslichen Küchenbedarf.

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von Transportmessungen – vor allem mit thermischem Transport bei sehr tiefen Temperaturen – intermetallische Seltenerdverbindungen untersucht. Diese Materialien sind oft durch starke elektronische Korrelationen gekennzeichnet, die zu neuartigen Eigenschaften führen. Um die Wechselwirkungen in den untersuchten Systemen zu beeinflussen, führten wir ein Magnetfeld als zusätzlichen Parameter ein. Damit untersuchten wir drei Fragestellungen. Im ersten Teil überprüften wir die Gültigkeit des Wiedemann-Franz-Gesetzes in YbRh2Si2. Dieses Material zeigt einen durch ein kleines Magnetfeld induzierten quantenkritischen Punkt, für dessen unkonventionelle Eigenschaften es noch keine allgemein etablierte mikroskopische Theorie gibt. Mit Hilfe des Wiedemann-Franz-Gesetzes haben wir untersucht, ob eine solche Theorie im Rahmen des Quasiteilchenbildes formuliert werden kann. Während wir eine Bestätigung für Magnetfelder abseits des quantenkritischen Punktes zeigen, ergibt unsere Analyse direkt am quantenkritischen Punkt eine Verletzung des Weidemann-Franz-Gesetzes. Dies hat weitreichende physikalische Folgen, da eine Verletzung den Zusammenbruch des Konzeptes von Quasiteilchen impliziert. In der zweiten Studie untersuchten wir die Kondogittersysteme YbRh2Si2 und CeRu2Si2 in Magnetfeldern mit Energien von der Größenordnung der Kondotemperatur. Beide Systeme zeigen bislang ungeklärte feldinduzierte Übergänge mit sehr unterschiedlichen Signaturen jedoch den selben Vorschlägen für deren Ursache: ein abrupter Zusammenbruch des Kondoeffekts oder ein Lifshitzübergang. Mit Thermokraft- und Widerstandsmessungen konnten wir für CeRu2Si2 zeigen, dass auch der thermische Transport kompatibel mit einem Lifshitzübergang ist. Ein globales Modell, das thermodynamische Größen mit einschließt, ist jedoch weiterhin nicht vorhanden. In YbRh2Si2 detektierten wir anstatt eines einzelnen, insgesamt drei Übergänge in höheren Magnetfeldern. Mithilfe einer sehr guten Übereinstimmung von renormalisierten Bandstrukturrechnungen mit unseren und früheren Experimenten, können wir die Entwicklung von YbRh2Si2 im Magnetfeld als Superposition von einer stetigen Unterdrückung des Kondoeffekts und drei Lifshitzübergängen beschreiben. Im dritten Projekt untersuchten wir den supraleitenden Ordnungsparameter von LaPt4Ge12. Während frühere Experimente auf konventionelle Supraleitung hindeuten, wird für das eng verwandte PrPt4Ge12 unkonventionelle und/oder Multiband-Supraleitung diskutiert. Resultate an der Substitutionsreihe LaxPr1-xPt4Ge12 suggerieren jedoch kompatible Ordnungsparameter für beide Verbindungen. Unsere Ergebnisse der spezifischen Wärme und der temperatur- und feldabhängigen Wärmeleitfähigkeit an LaPt4Ge12 sind kompatibel mit dem Modell konventioneller Supraleitung ohne Nullstellen im der supraleitenden Bandlücke. Die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Feldwinkel zeigt unerwartet umfangreiche Oszillationsmuster. Während solche Oszillationen oft als Zeichen von Nullstellen in der Bandlücke interpretiert werden, konnten wir die meisten Frequenzen anderen Ursachen zuordnen. Eine sehr genaue Analyse von winkelabhängigen Messungen ist daher unabdingbar, um daraus Schlussfolgerungen für den Ordnungsparameter ziehen zu können.

The focus of this thesis lies on the thermoelectric transport properties of rare-earth compounds containing Ce, Eu, and Yb. These systems have been investigated either to study fundamental problems or to evaluate their potential for thermoelectric applications.

In diesem Beitrag wird ein Verfahren vorgestellt wie gemessene Daten genutzt werden können, um die mit einem thermischen online-Modell geschätzten Temperaturen zu verbessern. Die Methode zeichnet sich insbesondere durch eine physikalisch interpretierbare Vorgabe von zwei Parametern aus, mit denen bestimmt werden kann, wo und wie stark die Daten zur Anpassung verwendet werden. Das Verfahren wird mit verschiedenen Einstellungen anhand von Versuchen getestet und bewertet. / A new technique to improve temperature estimation in electrical machines is proposed in this paper. An easily adjustable observer use local temperature data. In particular, the method is characterized by a physically interpretable specification of two parameters, which can be used to determine where and how much the data is used for adaptation. The procedure is tested and evaluated with different settings based on experiments carried out.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der berührungslosen Schweißdetektion im Fahrzeug als Bestandteil der automatisierten Klimasteuerung. Für die Erkennung von Schweiß wird eine Wärmebildkamera herangezogen, da austretender Schweiß durch Entzug der Verdampfungswärme die Haut abkühlt und daher auf dem Wärmebild zu sehen ist. Die Ergebnisse basieren auf verschiedenen Studien, in denen 20 Probanden ein sportliches Training absolvieren mussten, um ins Schwitzen zu kommen. Dabei wurde in regelmäßigen Abständen nach dem Schweißstatus gefragt und der Kopfbereich im Wärmebild aufgenommen. Für die Auswertung wurde der Stirnbereich auf dem Wärmebild explorativ untersucht, da dieser meistens nicht von Haaren oder Kleidung bedeckt ist. Der Stirnbereich wurde dann für verschiedene Schweißzustände betrachtet und die Temperaturdifferenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur, sowie die festgestellte Fleckigkeit anhand einer räumlichen Frequenzanalyse analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass anhand der 2D-Fouriertransformation, mit anschließender Bildung des radialen Mittelwerts aus dem Powerspektrum, die beste Unterscheidung zwischen einem schwitzenden und nicht schwitzenden Insassen gemacht werden können. Speziell bei der Betrachtung eines Pixelbereichs von 21 Pixel x 21 Pixel auf der Stirn konnte mithilfe der Signalentdeckungstheorie eine Treffer-Rate von 95 % unter 5 % falschen Alarmen festgestellt werden. Das bedeutet, dass es möglich ist, anhand eines Wärmebilds der Stirn das Schwitzen bei einem Insassen im Fahrzeug mit einer Sicherheit von 95 % zu erkennen.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der gekoppelten Dynamik in nichtlinearen Polymerketten auf Prozesse wie den thermischen Zerfall und den kraftinduzierten Abriss zu untersuchen. Dafür betrachten wir zunächst die Gleichgewichtsrelaxationseigenschaften von Ketten mit nichtlinearen Wechselwirkungspotentialen. Es kann gezeigt werden, dass die Relaxationseigenschaften des End-zu-End-Abstandes wie auch der Hauptkomponenten jene der harmonischen Kette sind. Die Korrelationszeiten weichen jedoch ab. Sogenannte weiche nichtlineare Potentiale erhöhen die Korrelationszeit. Doppelmuldenpotentiale können zum Anwachsen typischer Korrelationszeiten um mehrere Größenordnungen führen. Die Hauptkomponenten, deren Richtungen mit denen der Normalmoden der harmonischen Kette übereinstimmen, zeigen dabei unter Umständen eine subdiffusive Dynamik. In Bezug auf das thermisch aktivierte Bindungsversagen gehen wir auf zwei experimentell wichtige Problemstellungen ein. Zuerst untersuchen wir den thermisch aktivierten Zerfallsprozess einer homopolymeren Kette. Wir berechnen mittlere Aktivierungszeiten einzelner Bindungen für freie und befestigte Ketten. Wir können zeigen, dass diese Zeiten entscheidend von der Gesamtlänge der Kette sowie der Position der Bindung abhängen. An den freien Kettenenden weisen sie ein Minimum auf. Die zweite experimentell relevante Situation entspricht jener in Einzelmolekül-Zugexperimenten. Zusätzlich zum Einfluss nicht Markovscher Fluktuationen im gekoppelten System hat die verzögerte Kraftpropagation entlang der Kette einen weiteren Einfluss auf die Abrissdynamik. In langen Ketten brechbarer Bindungen verursacht das komplexe Zusammenspiel zwischen Kraftpropagation und der dem Abriss zugrundeliegenden Extremwertstatistik eine nicht monotone Abhängigkeit der wahrscheinlichsten Abrisskraft von der Kettenlänge. Abschließend analysieren wir experimentelle Abrissdaten von kovalenten Bindungen in zweisträngigen DNS Ringen. / This work intends to show how the coupled dynamics of a nonlinear polymer chain alters processes such as thermal fragmentation and force-induced rupture. For that purpose we first examine the equilibrium relaxation properties of chains with nonlinear interaction potentials. We find that the relaxation properties of the end-to-end distance and the principal components are essentially those of the harmonic chain, though with shifted correlation times. Soft nonlinear potentials increase the correlation times. Double-well interaction potentials may lead to an increase of the relaxation times by orders of magnitude. The principal components, whose directions follow the normal modes of the harmonic chain, can exhibit vastly different subdiffusive kinetics. Concerning the thermally activated bond rupture in polymer chains we focus on two experimentally relevant situations. First, we consider the thermally activated fragmentation of a homopolymer chain. We calculate mean activation times of individual bonds for free and grafted chains. We show that these times crucially depend on the length of the chain and the location of the bond yielding a minimum at the free chain ends. Second, we study a set up corresponding to the one found in single molecule pulling experiments. In addition to the influence of non-Markovian fluctuations in the coupled system the delayed force propagation into the chain has a further impact on its overall rupture dynamics. In long chains of breakable bonds the complex interplay between the force propagation into the chain and the extreme value statistics underlying rupture causes a non-monotonic scaling of the most probable rupture force as a function of the chain length. Finally we analyze experimental data of the rupture of covalent bonds in ds-DNA loops.

Thermal conductivity and thermopower measurements in strongly correlated electron systems at low temperatures

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von Transportmessungen – vor allem mit thermischem Transport bei sehr tiefen Temperaturen – intermetallische Seltenerdverbindungen untersucht. Diese Materialien sind oft durch starke elektronische Korrelationen gekennzeichnet, die zu neuartigen Eigenschaften führen. Um die Wechselwirkungen in den untersuchten Systemen zu beeinflussen, führten wir ein Magnetfeld als zusätzlichen Parameter ein. Damit untersuchten wir drei Fragestellungen. Im ersten Teil überprüften wir die Gültigkeit des Wiedemann-Franz-Gesetzes in YbRh2Si2. Dieses Material zeigt einen durch ein kleines Magnetfeld induzierten quantenkritischen Punkt, für dessen unkonventionelle Eigenschaften es noch keine allgemein etablierte mikroskopische Theorie gibt. Mit Hilfe des Wiedemann-Franz-Gesetzes haben wir untersucht, ob eine solche Theorie im Rahmen des Quasiteilchenbildes formuliert werden kann. Während wir eine Bestätigung für Magnetfelder abseits des quantenkritischen Punktes zeigen, ergibt unsere Analyse direkt am quantenkritischen Punkt eine Verletzung des Weidemann-Franz-Gesetzes. Dies hat weitreichende physikalische Folgen, da eine Verletzung den Zusammenbruch des Konzeptes von Quasiteilchen impliziert. In der zweiten Studie untersuchten wir die Kondogittersysteme YbRh2Si2 und CeRu2Si2 in Magnetfeldern mit Energien von der Größenordnung der Kondotemperatur. Beide Systeme zeigen bislang ungeklärte feldinduzierte Übergänge mit sehr unterschiedlichen Signaturen jedoch den selben Vorschlägen für deren Ursache: ein abrupter Zusammenbruch des Kondoeffekts oder ein Lifshitzübergang. Mit Thermokraft- und Widerstandsmessungen konnten wir für CeRu2Si2 zeigen, dass auch der thermische Transport kompatibel mit einem Lifshitzübergang ist. Ein globales Modell, das thermodynamische Größen mit einschließt, ist jedoch weiterhin nicht vorhanden. In YbRh2Si2 detektierten wir anstatt eines einzelnen, insgesamt drei Übergänge in höheren Magnetfeldern. Mithilfe einer sehr guten Übereinstimmung von renormalisierten Bandstrukturrechnungen mit unseren und früheren Experimenten, können wir die Entwicklung von YbRh2Si2 im Magnetfeld als Superposition von einer stetigen Unterdrückung des Kondoeffekts und drei Lifshitzübergängen beschreiben. Im dritten Projekt untersuchten wir den supraleitenden Ordnungsparameter von LaPt4Ge12. Während frühere Experimente auf konventionelle Supraleitung hindeuten, wird für das eng verwandte PrPt4Ge12 unkonventionelle und/oder Multiband-Supraleitung diskutiert. Resultate an der Substitutionsreihe LaxPr1-xPt4Ge12 suggerieren jedoch kompatible Ordnungsparameter für beide Verbindungen. Unsere Ergebnisse der spezifischen Wärme und der temperatur- und feldabhängigen Wärmeleitfähigkeit an LaPt4Ge12 sind kompatibel mit dem Modell konventioneller Supraleitung ohne Nullstellen im der supraleitenden Bandlücke. Die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Feldwinkel zeigt unerwartet umfangreiche Oszillationsmuster. Während solche Oszillationen oft als Zeichen von Nullstellen in der Bandlücke interpretiert werden, konnten wir die meisten Frequenzen anderen Ursachen zuordnen. Eine sehr genaue Analyse von winkelabhängigen Messungen ist daher unabdingbar, um daraus Schlussfolgerungen für den Ordnungsparameter ziehen zu können.

Thermal conductivity and thermopower measurements in strongly correlated electron systems at low temperatures