Drehmoment-Magnetometrie an intermetallischen Cer-Verbindungen und Aufbau eines Faradaykraft-Magnetometers

Abstract

Mit Drehmoment-Magnetometrie kann die magnetische Anisotropie von Materialien sehr genau bestimmt werden. In dieser Arbeit wurden Drehmoment-Messungen zur Bestimmung der magnetokristallinen Anisotropie an CeRu4Sn6 und CeAuGe durchgeführt. CeRu4Sn6 gehört zur Klasse der Käfigverbindungen und ist damit ein vielversprechender Kandidat für thermoelektrische Anwendungen. Es kann als Kondo-Isolator klassifiziert werden, das genaue Verhalten der Energielücke ist jedoch noch nicht geklärt. Das Studium an dieser Verbindung ist insbesondere interessant, da die tetragonale Kristallstruktur durch eine quasikubische Einheitszelle angenähert werden kann.<br />Magnetokristalline Anisotropie wurde sowohl in der tetragonalen als auch in der kubischen Struktur gemessen. Die vergleichsweise große Magnetisierung in die a- sowie die c'-Achse im Vergleich zur c-Richtung konnte bestätigt werden. Die Berechnung des Absolutwerts der Magnetisierung in der harten c-Richtung ergibt einen deutlich kleineren Wert als bisherige direkte Magnetisierungs-Messungen gezeigt haben. CeAuGe ist ein seltenes Beispiel für eine ferromagnetisch ordnende Cer-Verbindung mit einer Curie-Temperatur von etwa 10 Kelvin. Die hexagonale Kristallstruktur besteht aus einer ABAC-Stapelfolge mit, aufgrund des vergleichsweise großen Interlagenabstandes, geringen Bindung zwischen den Lagen. Drehmoment-Messungen zeigen eine große Anisotropie sowohl zwischen der c- und der a-Achse als auch zwischen der c-Richtung und der Diagonalen der a-a-Ebene, hier mit a' bezeichnet.<br />Dies deutet auf eine Orientierung der magnetischen Momente in der a-a-Ebene hin.<br />Der Wert der Anisotropie ist etwas geringer als der aus direkten Magnetisierungsmessungen bestimmte. Der zweite Teil dieser Arbeit bestand aus der Konstruktion eines Faradaykraft-Magnetometers.<br />Dieses soll vor allem bei sehr tiefen Temperaturen und hohen magnetischen Feldern zum Einsatz kommen. In diesem Bereich kann ein SQUID-Magnetometer nicht eingesetzt werden und ein Foner-Magnetometer führt, aufgrund von Reibung, zu sehr großen Aufwärmeffekten.<br />Das Magnetometer wurde erfolgreich konstruiert, zusammengebaut und getestet. Erste Messungen zeigen einen hohen Wert der Kapazität von C =13.3 pF bei guter Isolierung. Auch die Langzeitstabilität der Zelle scheint ausreichend.<br />Test-Messungen durch Gewichtsbelastungen der Probenplattform der Zelle zeigen eine, im Vergleich zu anderen Zellen diesen Typs, hohe Sensitivität und ein annähernd lineares Verhalten.<br />

Torque magnetometry is a very sensitive tool to probe the magnetic anisotropy of materials. Two intermetallic Cerium compounds were investigated with this technique.<br />CeRu4Sn6 is a cage compound and a promising candidate for thermoelectric applications. It is classified as a Kondo insulator. The crystal structure is tetragonal but can be approximated by a cubic unit cell, with c and c', the diagonal of the a-a-plane, as axes.<br />Magnetocrystalline anisotropy was observed both in the tetragonal and in the quasi-cubic cell. The a- and c'-axis were confirmed as easy axes, the c-axis is the hard axis. The value of the magnetization in the c-direction was calculated. It is lower than the value determined previously from magnetic susceptibility measurements, where any small sample missalignement leads to too large values. CeAuGe is a rare example of a ferromagnetic Cerium compound with a Curie temperature of about 10 Kelvin. It has a hexagonal crystal structure with an ABAC stacking order and only weak interaction between subsequent layers. The orientation of the magnetic moments within the a-a-plane was confirmed by a strong anisotropy between the c- and the a-direction as well as between the c-direction and the diagonal of the a-a-plane, a'.<br />This points to a random orientation of the magnetic moments within the a-a-plane. The value of the anisotropy is slightly lower than expected from preliminary SQUID-measurements. In the second part of this thesis a Faraday force magnetometer was constructed. It can be used to measure magnetization at very low temperatures and high fields. There it surpasses a vibrating sample magnetometer in performance and it can be used at higher fields than possible in a SQUID magnetometer.<br />First measurements show a large capacity of around C =13.3 pF, a good isolation of the magnetometer and good longtime stability of the signal.<br />First tests show, that the sensitivity is larger than in other magnetometers using this technique and the response is linear in a wide range of applied forces.