Thermoelektrika (TE) sind Materialien die Elektrizität aus Abwärme gewinnen können. Eine wichtige Kenngröße für die Effizienz, und damit die Anwendbarkeit, von TE ist ihre Gitterwärmeleitfähigkeit. In meiner Doktorarbeit habe ich die Invarianz dieser Größe im Kontext der Linear-Response Theorie (LR) bewiesen. Dies ermöglichte es, eine Korrektur der Boltzmann-Transport Gleichung (BTE) für die Gitterwärmeleitfähigkeit in kristallinen Materialien mittels LR herzuleiten. Diese Korrektur ist wichtig um zu beurteilen, wie genau die BTE die Wärmeleitfähigkeit eines Kristalls vorhersagen kann. Um die dafür notwendigen symbolischen Umformungen durchzuführen, habe ich ein Computer-Algebra System (CAS) entwickelt. Die Anzahl an Beiträgen zum finalen Resultat stellte sich als zu groß heraus um Grenzfälle zu analysieren oder prüfbare Approximationen herzuleiten. Aus diesem Grund habe ich alle Beiträge mit so wenigen Approximationen wie möglich ausgewertet. Dafür habe ich eine Software entwickelt, um diese Terme numerisch auszuwerten. Damit habe ich meine Korrektur für altbekannte wie auch vielversprechende TE ausgewertet, nämlich PbTe, Bi2Te3 , SnSe und B4 C. Zusätzlich habe ich MgO und KF untersucht. Das Resultat lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Korrektur zur BTE für die Gitterwärmeleitfähigkeit hat in keinem der untersuchten Materialien und bei keiner der simulierten Temperaturen einen nennenswerten Einfluss. Meine Untersuchung legt nahe, dass die BTE für eine große Bandbreite an Materialien sicher angewandt werden kann, auch besonders stark Anharmonische. Folglich ist diese Arbeit in Übereinstimmung mit der Literatur, dass die am stärksten anharmonischen Materialien genau die mit der niedrigsten Wärmeleitfähigkeit sind. Es scheint daher sinnvoll, dass sich zukünftige Forschung weniger auf die Herleitung solcher Korrekturen zur BTE als vielmehr auf die korrekte Berechnung des Phononpropagators in stark anharmonischen Materialien konzentrieren sollte. / Thermoelectrics (TE) are materials that can be used to generate electricity from waste heat. A key quantity to the efficiency, and therefore the applicability, of TE is the lattice thermal conductivity. In this work, I prove the invariance of the lattice thermal conductivity in the context of linear-response theory (LR). This invariance enables me to derive novel formulas for a correction to the widely used Boltzmann-transport equation (BTE) for lattice thermal transport in crystalline solids using LR. It turned out that these derivations cannot be performed by a human by hand, using the formalism I chose. To perform the necessary symbolic manipulations, I programmed a computer algebra system (CAS), that implements LR, starting from expectation values, over Feynman diagrams to mathematical formulas. The number of resulting terms turned out to be too large for an analysis of all limiting cases. Consequently, I aimed at evaluating all terms, with as few approximations as possible, to generate a simple, numerical result. To do so, I developed a software package to evaluate the formulas numerically without further approximation and applied it to long-serving as well as promising new TE, namely PbTe, Bi2 Te3 , SnSe, and B4C. Additionally I investigated MgO and KF. The result can be summed up as follows: The correction to the BTE for the lattice thermal conductivity has almost no influence in the investigated materials at any simulated temperature. My investigation suggests that the BTE can be used for a wide range of materials, including the most anharmonic ones. Consequently, this work is in agreement with the literature, that the most anharmonic materials are exactly those with the lowest lattice thermal conductivity. It suggests that future theoretic work on lattice thermal conductivity should focus to find the correct phonon-propagator of strongly anharmonic systems.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

Der thermische Akkommodationskoeffizient α spielt als Teil der effektiven Wärmeleitfähigkeit von hochporösen Dämmstoffen (basierend auf SiO2 oder CaSiO3) eine nicht zu unterschätzende Rolle beim Wärmetransport. In vorhandenen Modellen zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird er häufig, jedoch nicht bewiesen mit α = 1 für Gase wie Argon oder Stickstoff bzw. α = 0,3 für Helium angenommen. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, jene Annahme zu überprüfen als auch erstmalig α an CaSiO3 zu bestimmen. Dazu wurde eine eigens entwickelte Versuchsapparatur ähnlich einer Guarded-Hot-Plate aufgebaut und umfangreich mit Literaturdaten kalibriert. Die bisher allgemein gültige Annahme konnte für beide Materialien mit Argon, Stickstoff und Helium experimentell verifiziert und damit die Gültigkeit vorhandener Modelle zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit unterstrichen werden. Parallel dazu wurde kooperativ eine Molekulardynamik Simulation durchgeführt, wodurch die Messergebnisse ebenfalls bestätigt werden konnten.

Understanding thermal transport in nanoscale is important for developing nanostructured thermolelectric materials and for heat management in nanoelectronic devices. This dissertation is devoted to understand thermal transport through SiGe based superlattices. First, we systematically studied the cross-plane thermal conductivity of SiGe superlattices by varying the thickness of Si(Ge) spacers thickness. The observed additive character of thermal resistance of the SiGe nanodot/planar layers allows us to engineer the thermal conductivity by varying the interface distance down to ~1.5 nm. Si-Ge intermixing driven by Ge surface segregation is crucial for achieving highly diffusive phonon scattering at the interfaces. By comparing the thermal conductivity of nanodot Ge/Si superlattices with variable nanodot density and superlattices with only wetting layers, we find that the effect of nanodots is comparable with that produced by planar wetting layers. This is attributed to the shallow morphology and further flattening of SiGe nanodots during overgrowth with Si. Finally, the experiments show that the interface effect on phonon transport can be weakened and even eliminated by reducing the interface distance or by enhancing Si-Ge intermixing around the interfaces by post-growth annealing. The results presented in this dissertation are expected to be relevant to applications requiring optimization of thermal transport for heat management and for the development of thermoelectric materials and devices based on superlattice structures. / Verständnis des thermischen Transport auf Nanoskala ist sowohl grundlegend für die Entwicklung nanostrukturierter Materialien, als auch für Temperaturkontrolle in nanoelektronischen Bauteilen. Diese Dissertation widmet sich der Erforschung des thermischen Transports durch SiGe basierenden Übergittern. Variationen, der Si(Ge) Schichtdicken, wurden zur systematischen Untersuchung der Normalkomponente zur Wachstumsrichtung der Wärmeleitfähigkeit, von SiGe Übergittern, genutzt. Die Beobachtung des additiven Charakters, des thermischen Widerstands, der SiGe Schichten, mit oder ohne Inselwachstum, ermöglicht die Erstellung von Strukturen mit bestimmter Wärmeleitfähigkeiten durch die Variation der Schichtdicken bis zu einer Minimaldistanz zweier Schichtübergänge von ~1.5nm. Die Ge Segregation führt zu einer Vermischung, von Si und Ge, welche eine essentielle Rolle zur diffusen Phononenstreuung spielt. Unsere Untersuchungen, von planaren Übergittern und Übergittern mit variabler Inseldichte, zeigen, dass Inseln und planare Schichten zu einer vergleichbaren Reduktion, der Wärmeleitfähigkeit, führen. Diese Beobachtung lässt sich, sowohl auf die flache Morphologie als auch die Abplattung der SiGe Inseln, aufgrund der Überwachsung mit Si, zurückführen. Die Experimente zeigen außerdem, dass sich der Barriereneffekt, der Schichtgrenzen, durch Reduktion der Schichtabstände und durch verstärkte Vermischung im Bereich der Schichtgrenzen, durch Erhitzung, eliminieren lässt. Die präsentierten Messungen sind sowohl, für die Entwicklung jener Bauteile, die eine Optimierung des thermischen Transports oder Temperaturmanagment erfordern, als auch von thermoelektrischen Matieralien und Bauteilen, basierend auf Übergittern, relevant.

Halbleitermaterialien sind in den elektrischen Anwendungen der heutigen Zeit unerlässlich geworden. In dieser Arbeit wird der Fokus auf die Untersuchung der elektrischen und thermischen Eigenschaften von zwei Halbleiterklassen gelegt. Zum einen wird mit -Ga2O3 ein Mitglied der Klasse der transparenten leitfähigen Oxide untersucht.Hier wurden die elektrischen Eigenschaften von dünnen Schichten (Dicke von 28nm-225nm) und Volumenkristallen temperaturabhängig untersucht.Dabei zeigt sich bei Volumenkristallen und mindestens 150nm dicken Schichten eine Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit bis 100K durch die Streuung von Elektronen an Störstellen und bei Temperaturen über 100K wieder ein Abfall der elektrischen Leitfähigkeit durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung. Die Untersuchung der thermische Leitfähigkeit von beta-Ga2O3 zeigt ein anisotropes Verhalten mit minimalen Werten in [100]-Richtung und maximalen Werten in [010]-Richtung. Die Temperaturabhängigkeit der thermischen Eigenschaften zeigt eine Verringerung der thermischen Leitfähigkeit und der thermischen Diffusivität mit steigender Temperatur. Eine zweite untersuchte Materialklasse ist die der Kesterite. Zu dieser Kristallstruktur wurden zwei Elementkonfigurationen untersucht, Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid und Kupfer- Zink-Zinn-Selenid. Der Transport bei Raumtemperatur und darunter findet über verschiedene Tunnelprozesse lokalisierter Ladungsträger statt. Zusätzlich wird auf die Veränderung der elektrischen Eigenschaften durch die Kristallinität und Komposition eingegangen. Die thermischen Eigenschaften zeigen analog zum beta-Ga2O3 eine Dominanz der Phonon-Phonon-Umklapp-Streuung bei hohen Temperaturen, während bei niedrigen Temperaturen Streuung an Störstellen und Grenzflächen vorherrscht. Methodisch zeigt diese Arbeit unterschiedlichste Messmethoden zur Charakterisierung der elektrischen und thermischen Eigenschaften, welche die Standardmethoden sowohl nutzen, als auch sinnvoll erweitern. / Semiconductors are essential for electronic applications nowadays. Here, the electrical and thermal properties of two semiconductor classes with huge application potential are investigated. As a transparent conducting oxide beta-Ga2O3 is investigated. In this work, the temperature dependent electrical properties were investigated for bulk materials and thin films. An increase in the electrical conductivity until 100K is found through electron-impurity-scattering and a decrease at higher temperatures through electron-phonon-scattering for for films with a thickness of at least 150nm. The investigation of the thermal properties of -Ga2O3 show an anisotropy for the different crystal orientations with minimal primary axis values for the [100]-direction and maximal values for the [010]-direction. The temperature-dependence of the thermal properties shows a decease in conductivity and diffusivity for increasing temperature. For temperatures over 150K phonon-phonon-Umklapp-scattering can explain the measured values. For low temperatures phonon-impurity scattering is most likely the dominant scattering mechanism. A second investigated material class are kesterites. For this crystal structure two configurations were investigated, copper-zinc-tin-sulfide and copper-zinc-tin-selenide. The electrical properties show semiconducting characteristics with p-type conduction. The transport processes are defined through localised thermal activated tunneling within the band gap. Other reductions of the mobility are found by the crystalinity and the composition of the materials. The thermal properties show dominant phonon-phonon- Umklapp-scattering at higher temperatures and phonon-impurity-scattering for lower temperatures in a similar way as in beta-Ga2O3. This work shows new implemented measurement methods for investigating electrical and thermal properties as extentions to common methods.

In sedimentary basins, rock thermal conductivity can vary both laterally and vertically, thus altering the basin’s thermal structure locally and regionally. Knowledge of the thermal conductivity of geological formations and its spatial variations is essential, not only for quantifying basin evolution and hydrocarbon maturation processes, but also for understanding geothermal conditions in a geological setting. In conjunction with the temperature gradient, thermal conductivity represents the basic input parameter for the determination of the heat-flow density; which, in turn, is applied as a major input parameter in thermal modeling at different scales. Drill-core samples, which are necessary to determine thermal properties by laboratory measurements, are rarely available and often limited to previously explored reservoir formations. Thus, thermal conductivities of Mesozoic rocks in the North German Basin (NGB) are largely unknown. In contrast, geophysical borehole measurements are often available for the entire drilled sequence. Therefore, prediction equations to determine thermal conductivity based on well-log data are desirable. In this study rock thermal conductivity was investigated on different scales by (1) providing thermal-conductivity measurements on Mesozoic rocks, (2) evaluating and improving commonly applied mixing models which were used to estimate matrix and pore-filled rock thermal conductivities, and (3) developing new well-log based equations to predict thermal conductivity in boreholes without core control. Laboratory measurements are performed on sedimentary rock of major geothermal reservoirs in the Northeast German Basin (NEGB) (Aalenian, Rhaethian-Liassic, Stuttgart Fm., and Middle Buntsandstein). Samples are obtained from eight deep geothermal wells that approach depths of up to 2,500 m. Bulk thermal conductivities of Mesozoic sandstones range between 2.1 and 3.9 W/(m∙K), while matrix thermal conductivity ranges between 3.4 and 7.4 W/(m∙K). Local heat flow for the Stralsund location averages 76 mW/m², which is in good agreement to values reported previously for the NEGB. For the first time, in-situ bulk thermal conductivity is indirectly calculated for entire borehole profiles in the NEGB using the determined surface heat flow and measured temperature data. Average bulk thermal conductivity, derived for geological formations within the Mesozoic section, ranges between 1.5 and 3.1 W/(m∙K). The measurement of both dry- and water-saturated thermal conductivities allow further evaluation of different two-component mixing models which are often applied in geothermal calculations (e.g., arithmetic mean, geometric mean, harmonic mean, Hashin-Shtrikman mean, and effective-medium theory mean). It is found that the geometric-mean model shows the best correlation between calculated and measured bulk thermal conductivity. However, by applying new model-dependent correction, equations the quality of fit could be significantly improved and the error diffusion of each model reduced. The ‘corrected’ geometric mean provides the most satisfying results and constitutes a universally applicable model for sedimentary rocks. Furthermore, lithotype-specific and model-independent conversion equations are developed permitting a calculation of water-saturated thermal conductivity from dry-measured thermal conductivity and porosity within an error range of 5 to 10%. The limited availability of core samples and the expensive core-based laboratory measurements make it worthwhile to use petrophysical well logs to determine thermal conductivity for sedimentary rocks. The approach followed in this study is based on the detailed analyses of the relationships between thermal conductivity of rock-forming minerals, which are most abundant in sedimentary rocks, and the properties measured by standard logging tools. By using multivariate statistics separately for clastic, carbonate and evaporite rocks, the findings from these analyses allow the development of prediction equations from large artificial data sets that predict matrix thermal conductivity within an error of 4 to 11%. These equations are validated successfully on a comprehensive subsurface data set from the NGB. In comparison to the application of earlier published approaches formation-dependent developed for certain areas, the new developed equations show a significant error reduction of up to 50%. These results are used to infer rock thermal conductivity for entire borehole profiles. By inversion of corrected in-situ thermal-conductivity profiles, temperature profiles are calculated and compared to measured high-precision temperature logs. The resulting uncertainty in temperature prediction averages < 5%, which reveals the excellent temperature prediction capabilities using the presented approach. In conclusion, data and methods are provided to achieve a much more detailed parameterization of thermal models. / Die thermische Modellierung des geologischen Untergrundes ist ein wichtiges Werkzeug bei der Erkundung und Bewertung tiefliegender Ressourcen sedimentärer Becken (e.g., Kohlenwasserstoffe, Wärme). Die laterale und vertikale Temperaturverteilung im Untergrund wird, neben der Wärmestromdichte und der radiogenen Wärmeproduktion, hauptsächlich durch die Wärmeleitfähigkeit (WLF) der abgelagerten Gesteinsschichten bestimmt. Diese Parameter stellen die wesentlichen Eingangsgrößen für thermische Modelle dar. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung der Gesteins-WLF auf verschiedenen Skalen. Dies umfasst (1) laborative WLF-Messungen an mesozoischen Bohrkernproben, (2) die Evaluierung und Verbesserung der Prognosefähigkeit von Mischgesetzten zur Berechnung von Matrix- und Gesamt-WLF sedimentärer Gesteine, sowie (3) die Entwicklung neuer Prognosegleichungen unter Nutzung bohrlochgeophysikalischer Messungen und multivariater Analysemethoden im NGB. Im Nordostdeutschen Becken (NEGB) wurden für die wichtigsten geothermischen Reservoire des Mesozoikums (Aalen, Rhät-Lias-Komplex, Stuttgart Formation, Mittlerer Buntsandstein) Bohrkerne geothermischer Tiefbohrungen (bis 2.500 m Tiefe) auf Ihre thermischen und petrophysikalischen Eigenschaften hin untersucht. Die WLF mesozoischer Sandsteine schwankt im Mittel zwischen 2,1 und 3,9 W/(m∙K), die WLF der Gesteinsmatrix hingegen im Mittel zwischen 3,4 und 7,4 W/(m∙K). Neu berechnete Werte zur Oberflächenwärmestromdichte (e.g., 76 mW/m², Stralsund) stehen im Einklang mit den Ergebnissen früherer Studien im NEGB. Erstmals im NDB wurde für das mesozoisch/känozoischen Intervall am Standort Stralsund ein in-situ WLF-Profil berechnet. In-situ Formations-WLF, für als potentielle Modelschichten interessante, stratigraphische Intervalle, variieren im Mittel zwischen 1,5 und 3,1 W/(m∙K) und bilden eine gute Grundlage für kleinskalige (lokale) thermische Modelle. Auf Grund der in aller Regel nur eingeschränkt verfügbaren Bohrkernproben sowie des hohen laborativen Aufwandes zur Bestimmung der WLF waren alternative Methoden gesucht. Die Auswertung petrophysikalischer Bohrlochmessungen mittels mathematischer-statistischer Methoden stellt einen lang genutzten und erprobten Ansatz dar, welcher in seiner Anwendbarkeit jedoch auf die aufgeschlossenen Gesteinsbereiche (Genese, Geologie, Stratigraphie, etc.) beschränkt ist. Daher wurde ein leicht modifizierter Ansatz entwickelt. Die thermophysikalischen Eigenschaften der 15 wichtigsten gesteinsbildenden Minerale (in Sedimentgesteinen) wurden statistisch analysiert und aus variablen Mischungen dieser Basisminerale ein umfangreicher, synthetischer Datensatz generiert. Dieser wurde mittels multivariater Statistik bearbeitet, in dessen Ergebnis Regressionsgleichungen zur Prognose der Matrix-WLF für drei Gesteinsgruppen (klastisch, karbonatisch, evaporitisch) abgeleitet wurden. In einem zweiten Schritt wurden für ein Echtdatenset (laborativ gemessene WLF und Standardbohrlochmessungen) empirische Prognosegleichungen für die Berechnung der Gesamt-WLF entwickelt. Die berechneten WLF zeigen im Vergleich zu gemessenen WLF Fehler zwischen 5% und 11%. Die Anwendung neu entwickelter, sowie in der Literatur publizierter Verfahren auf den NGB-Datensatz zeigt, dass mit den neu aufgestellten Gleichungen stets der geringste Prognosefehler erreicht wird. Die Inversion neu berechneter WLF-Profile erlaubt die Ableitung synthetischer Temperaturprofile, deren Vergleich zu gemessenen Gesteinstemperaturen in einen mittleren Fehler von < 5% resultiert. Im Rahmen geothermischer Berechnungen werden zur Umrechnung zwischen Matrix- und Gesamt-WLF häufig Zwei-Komponenten-Mischmodelle genutzt (Arithmetisches Mittel, Harmonische Mittel, Geometrisches Mittel, Hashin-Shtrikman Mittel, Effektives-Medium Mittel). Ein umfangreicher Datensatz aus trocken- und gesättigt-gemessenen WLF und Porosität erlaubt die Evaluierung dieser Modelle hinsichtlich Ihrer Prognosefähigkeit. Diese variiert für die untersuchten Modelle stark (Fehler: 5 – 53%), wobei das geometrische Mittel die größte, quantitativ aber weiterhin unbefriedigende Übereinstimmungen zeigt. Die Entwicklung und Anwendung mischmodelspezifischer Korrekturgleichungen führt zu deutlich reduzierten Fehlern. Das korrigierte geometrische Mittel zeigt dabei, bei deutlich reduzierter Fehlerstreubreite, erneut die größte Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Werten und scheint ein universell anwendbares Mischmodel für sedimentäre Gesteine zu sein. Die Entwicklung modelunabhängiger, gesteinstypbezogener Konvertierungsgleichungen ermöglicht die Abschätzung der wassergesättigten Gesamt-WLF aus trocken-gemessener WLF und Porosität mit einem mittleren Fehler < 9%. Die präsentierten Daten und die neu entwickelten Methoden erlauben künftig eine detailliertere und präzisere Parametrisierung thermischer Modelle sedimentärer Becken.

This experimental work focusses on the magnetic thermal conductivity, κ_mag, of the one-dimensional two-leg spin ladder system Sr_14Cu_24O_41 and the spin chain system SrCuO_2. These two S = 1/2 antiferromagnetic Heisenberg compounds possess enormous magnetic contributions to the heat transport which in some cases exceed the phonon contributions by more than one order of magnitude. Despite of intense ongoing experimental and theoretical investigations, the underlying mechanism of the magnetic heat transport remains unclear. The study of κ_mag aims a better understanding of the basic physics which determine mobility, scattering and dissipation of the dispersing magnetic excitations. The most important tool used in this study is to selectively influence the structure and the electronic and magnetic properties of the compounds through doping. For this purpose single crystalline samples were produced using the Traveling Solvent Floating Zone technique, a crucible-free technology, which allows the growth of centimeter sized single crystals of high quality. In particular, the successful growth of large quantities of the hole-free ladders La_4Sr_10Cu_24O_41 allowed the realization of inelastic neutron scattering and, for the first time, the acquisition of the complete magnetic excitation spectrum of the spin ladder, composed not only by the triplon band, but also by the two-triplon continuum, permitting an accurate determination of the coupling constants in this system. The importance of the cyclic-exchange, previously unclear, was asserted. In order to study the scattering mechanisms of the magnetic excitations (triplons) off static defects in the two-leg ladder Sr_14Cu_24O_41, this compound was doped with tiny amounts of Zn. Occupying the Cu site in the ladders, the Zn plays the role of a non-magnetic defect, imposing an upper limit to the mean free path of the triplons. The thermal conductivity of Sr_14Cu_(14−z)Zn_zO_41, with z = 0, 0.125, 0.25, 0.5 and 0.75, shows a strong decrease of both the phononic and magnetic contributions with increasing z value. In particular, the decrease of the magnetic part indicates an increased scattering of the triplons off Zn defects. The analysis of κ_mag, using a kinetic model, allows the extraction of the triplon mean free path l_mag. This quantity was successfully correlated to the mean Zn-Zn distance along the ladders, confirming the validity of the employed kinetic model and corroborating results of previous works. In SrCuO_2, the magnetic contribution to the thermal conductivity appears as a hump-like anomaly on the high-T back of the low-T phonon peak. In order to better separate the magnetic contribution from the phononic background, small amounts of Sr were substituted by the smaller and lighter Ca, leading, on the one hand, to an increased scattering of the phonons and consequently to a suppression of the phononic thermal conductivity. On the other hand, since Ca is isovalent to Sr, no significant changes of the magnetic properties of the system are expected: a magnetic peak belonging to κ_mag should appear. Measurements of the thermal conductivity of Sr_(1−x)Ca_xCuO_2 for x = 0, 0.0125, 0.025, 0.05 and 0.1 show indeed a systematic decrease of the phonon thermal conductivity with increasing x. However, against initial expectations, no magnetic peak appears. Instead, the magnetic thermal conductivity decreases at intermediate and low temperatures with increasing doping level, indicating a strong influence of the Ca dopant on the magnetic system. Surprisingly, no changes of κ_mag occur at higher temperatures, where κ_mag remains constant for all doping levels. To explain this intriguing temperature and doping dependence of κ_mag, three scenarios are proposed. One of the scenarios is based on the phenomenon of mutual spinon and phonon heat transport, the so called spin-phonon-drag mechanism. Another scenario assumes an effective scattering of spinons off Ca defects. In a third scenario, the appearance of a gap in the doped compounds is considered. The obvious effect of the Ca dopant on the magnetic thermal conductivity motivated a more detailed investigation of the doping dependence of electronic and magnetic properties in Sr_(1−x)Ca_xCuO_2. NMR data reveal the presence of a magnetic gap for the x = 0.1 compound. The doping dependent evolution of the specific heat at low-T is consistent with this result. Furthermore, susceptibility data may be explained within a segmentation of the spin chains, which in turn can be also related to the opening of a gap. These results strongly support that the reduction of κ_mag in the Ca doped compounds is related to a smaller number of magnetic excitations participating in the heat transport due to the presence of the gap. A possible reduction of the chain length, as suggested by the susceptibility data, is also consistent with the scenario of a reduced κ_mag due to an increased scattering of magnetic excitations. In spite of these partially consistent results, there are still no clear-cut explanations for the evolution of κ_mag upon doping. In particular, it cannot be completely ruled out that a fraction of the Ca dopant goes into the chains, a point which has to be urgently clarified in order to allow a correct interpretation of the data.

Fundamental conservation laws predict a dissipationless transport behavior in one-dimensional S=1/2 spin chains. This truly ballistic heat transport suggests anomalously large life times and mean free paths of the elementary excitations of the spin chain, spinons. Despite this rigorous prediction, in any real system, the transport is dissipative, due to the interaction of spinons with defects and phonons. Nevertheless, a promising large magnetic thermal conductivity \\kappa_{mag} has been observed in a few copper-oxide systems. Characteristic for these cuprate systems is a large exchange interaction J along the spin chain. However, due to the limited number and knowledge of the systems showing a large \\kappa_{mag}, it has been difficult, to identify overarching trends. The goal of this thesis therefore is twofold. First, to test new compounds for the appearance of magnetic heat transport and second, to broaden the understanding of the known compounds by studying the influence of various kinds of impurities. In particular, three families of materials are studied. First, the thermal conductivity \\kappa(T) of the compounds TiOBr and TiOCl is investigated. Below room temperature the compounds undergo two phase transitions T_{c2} and T_{c1}. Above T_{c2} the compounds contain S=1/2 spin chains with J_{Cl}=676 K and J_{Br}=375 K respectively, formed by direct orbital overlap of the Ti-atoms. Below T_{c1} the chains dimerize to form a non-magnetic ground state. The thermal conductivity exhibits pronounced anomalies at T_{c2} and T_{c1} confirming the transitions being of second and first order respectively. Surprisingly, \\kappa(T) appears to be dominated by phonon heat conduction, since no indications of a significant magnetic contribution is found. This is in contrast to the expectation of a spin chain system. In this context possible scenarios to understand the unusual behavior of the thermal conductivity are discussed. Second, two related materials, the single chain Sr_{2}CuO_{3} and the double chain SrCuO_{2} are investigated. In high purity samples huge magnetic heat conductivities and concomitantly, extremely large spinon mean free paths of >0.5 µm for Sr_{2}CuO_{3} and >1 µm for SrCuO_{2} are observed. This demonstrates that \\kappa_{mag} is only limited by extrinsic scattering processes, which is a clear signature of ballistic transport in the underlying spin model. Additionally, various subtle modifications of the spin chain are studied. Due to the large mean free path a pristine picture of the intrinsic incidents is expected. In particular, a chemical pressure is applied to the spin chain by doping SrCuO_{2} with Ca. This has a surprisingly strong effect on \\kappa_{mag}. Furthermore, the influence of magnetic Ni and non-magnetic Mg doping is studied for SrCuO_{2}. While Ni-doping has a large impact on the magnetic thermal conductivity, Mg-doping shows no influence. In order to clarify this surprising behavior, \\kappa_{mag} is compared to measurements of the single chain compound Sr_{2}CuO_{3}. Third, the magnetic thermal conductivity of the spin chain material CaCu_{2}O_{3} doped with non-magnetic Zn impurities is studied. \\kappa_{mag} of the pure compound is linear up to room temperature, which is indicative of a T-independent scattering rate of the magnetic excitations. Both, magnitude and T-dependence of \\kappa_{mag} exhibit a very unusual doping dependence. At moderate Zn-doping the linear temperature dependence of \\kappa_{mag} is preserved and the absolute value of \\kappa_{mag} increases. A slight suppression of \\kappa_{mag} occurs only at high Zn doping, where, surprisingly, the T-dependence of \\kappa_{mag} changes from linearity to one with a higher power of T . In order to clarify this surprising behavior, the results are compared to a detailed study of the g-tensor of the impurities in the material by means of ESR experiments, which reveal a change of the impurity type with increasing Zn-content.

Quantum spin liquids represent a novel phase of magnetic matter where quantum fluctuations are large enough to suppress the formation of local order parameters, even down to zero temperature. Quantum spin liquid states can emerge from frustrated quantum magnets. These states show several peculiar properties, such as topological order, fractional excitations, and long-range entanglement. The Kitaev spin model on the honeycomb lattice is one of the few models proposed which can exactly show the existence of a $\mathbb{Z}_2$ quantum spin liquid. The model describes spins featuring frustrated compass interactions, and it exhibits a quantum spin liquid ground state. The model's ground state can be found exactly by representing spins in terms of Majorana fermions. It turns out that spin excitations fractionalize into two degrees of freedom: spinless matter fermions and flux excitations of the emergent $\mathbb{Z}_2$ gauge theory. Recently, possible solid-state realizations of Kitaev quantum spin liquids have been proposed in a class of frustrated Mott insulators. Unfortunately, experiments can not unambiguously identify quantum spin liquids, due to their elusive nature. Nevertheless, indirect observations on a spin liquid state can be done by looking at its excitations. Along this line, thermal transport investigations provide for an option to study heat-carrying excitations, and thus the properties of the related spin liquid state. In this doctoral thesis work, I performed a study of longitudinal thermal transport properties in the two-dimensional Kitaev spin model. This study aims to advance the understanding of transport in prototypical frustrated quantum magnets that might harbor Kitaev physics, and in particular quantum spin liquid states. For this purpose, I explored the model for varying exchange coupling regimes $-$ to underline the impact of anisotropy on transport $-$ and I studied transport over a wide range of temperatures. Transport properties have been explored within the formalism of the linear response theory. Based on the latter, thermal transport coefficients can be evaluated by calculating dynamical energy-current auto-correlation functions. First, I performed an analytical study of the uniform gauge sector of the model $-$ where excitations of gauge degrees of freedom are neglected. Analytical findings for the energy-current correlations, and their related transport coefficients, imply a finite-temperature ballistic heat conductor in terms of free matter fermion excitations $-$ independent of exchange couplings. Second, thermal transport has been studied at finite temperatures, considering thermal gauge excitations off the uniform gauge sector. For this purpose, I made use of two complementary numerical methods able to treat finite-temperature systems. On the one hand, I resorted on the exact diagonalization of the Kitaev Hamiltonian given in terms of fermions and a real-space dependent $\mathbb{Z}_2$ gauge potential, to study relatively small systems. On the other hand, I used an approximate method based on a mean-field treatment of thermal gauge fluctuations. The method allowed to extend the study of thermal transport to systems with up to $\sim\mathcal{O}(10^4)$ spinful sites. It made possible the computation of correlation functions by reducing the exact trace over all gauge states to an average over dominant gauge states suited to a given temperature range. The reliability of the method has been checked by comparing to numerically exact thermodynamics of systems. Based on the thermodynamic analysis, the method has been restricted to a temperature range where the mean-field treatment of gauge fluctuations is acceptable. Within such temperature range, the method succeeded in well reproducing exact results. The prime advantage of this method is its capability to reveal important features in the energy-current correlation spectra, not captured by the exact diagonalization approach because of finite-size effects. I found that the energy-current correlation spectra, in the presence of thermal gauge excitations, show clear signatures of spin fractionalization. In particular, the low-energy part of spectra displays features arising from a temperature-dependent matter-fermion density relaxation off an emergent thermal gauge disorder. This static gauge disorder also leads to the appearance of a pseudogap in the zero-frequency limit, which closes in the thermodynamic limit. The extracted dc heat conductivity is consequently influenced by this interplay between matter fermions and gauge degrees of freedom. The anisotropy in the exchange couplings moves Kitaev systems through gapless and gapped phases of the matter fermion sector. Effects of anisotropy are visible in the dc conductivities which display a low-temperature dependence crossing over from power-law to exponentially activated behavior upon entering the gapped phase. Therefore, I found that in the thermodynamic limit, two-dimensional Kitaev systems feature dissipative transport, regardless of exchange couplings. This finding is in contrast to the ballistic transport found discarding gauge excitations in the uniform gauge sector, which underlines the relevance of gauge degrees of freedom in thermal transport properties of Kitaev systems.