Field response studies on the substitution-driven modifications of ternary Ce3Pd4Si4

Abstract

Stark korrelierte Elektronensysteme können ungewöhnliche physikalische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen zeigen. Die Präsenz magnetischer Momente von 4f-Elektronen in Cer-basierten intermetallischen Verbindungen kann über ein Wechselspiel des Kondoeffekts mit der RKKY-Wechselwirkung zum Auftreten von Grundzuständen wie magnetischer Ordnung oder unkonventioneller Supraleitung führen. Auch kristallelektrische Felder spielen bei dieser Art von Systemen eine große Rolle. Externe Parameter wie zum Beispiel Magnetfelder können das Tieftemperaturverhalten dieser Verbindungen modifizieren. In dieser Diplomarbeit wurde das ternäre System Ce_3Pd_4Si_4 in Hinblick auf seine physikalischen Eigenschaften untersucht. Das Ziel war, herauszufinden, welchen Veränderungen das System unterliegt, wenn eine der Komponenten durch ein Element derselben Gruppe des Periodensystems ersetzt wird. Insgesamt wurden sechs verwertbare Proben hergestellt, zwei in denen Silizium in verschiedenen stöchiometrischen Verhältnissen durch Germanium ersetzt wurde und vier bei denen das Übergangselement Nickel Palladium ersetzte. An diesen Proben wurde mit einer Vierpunktmethode der spezifische Widerstand ermittelt. Dieses geschah in einem Temperaturbereich von 0.4 bis 300 Kelvin, wobei auch in extern erzeugten Magnetfeldern mit einer Stärke von bis zu 12 Tesla gemessen wurde. Um einen genaueren Einblick in die magnetischen Eigenschaften der Materialien zu erhalten, wurden außerdem Messungen der magnetischen Suszeptibilität bzw. der Magnetisierung in Abhängigkeit von Feld und Temperatur durchgeführt, wobei eine Variable stets konstant gehalten wurde. Messungen der Wärmekapazität des Materials rundeten die Untersuchungen ab. Diese wurden ebenfalls bei tiefen Temperaturen und in Anwesenheit externer Magnetfelder durchgeführt. Im Rahmen der Auswertung der Daten konnte herausgefunden werden, dass die Proben der Si-Ge Substitutionsreihe Kondogitter-Verhalten in Anwesenheit einer Kristallfeldaufspaltung zeigen. Schon die kleinste Substitutionsrate führte zum Auftreten eines magnetischen Phasenübergangs innerhalb des Messbereichs in einen antiferromagnetischen Grundzustand. Dieser wurde bei der Ausgangsverbindung Ce_3Pd_4Si_4 nicht beobachtet. In Ce_3Pd_4Si_2.8Ge_1.2 wurden sogar zwei magnetische Phasenübergänge gefunden. Das Ersetzen von Silizium durch Germanium bewirkt des Weiteren eine Vergrößerung der Gitterparameter und damit der Einheitszelle, was mit einem Abfallen von sogenanntem chemischen Druck einhergeht. Die vier Proben der Pd-Ni Substitutionsreihe zeichneten sich vor allem durch die Veränderung ihrer magnetischen Eigenschaften aus. Bei niedrigeren Substitutionsraten wurde, wie auch in der Germaniumreihe, Kondo-Gitterverhalten und ein antiferromagnetischer Grundzustand beobachtet. Jedoch zeigten sich bei höheren Substitutionsraten diverse Veränderungen, unter anderem eine Verschiebung des Maximums des spezifischen Widerstandes von 5 K zu 60 K. Gleichzeitig sanken sowohl die Werte des Magnetowiderstandes als auch der magnetischen Entropie um eine Größenordnung. Die hier erzielten Ergebnisse sind auch deshalb hervorzuheben, da sie zeigen, dass die Substitution eines nichtmagnetischen Elements in einer Verbindung deren magnetische Eigenschaften sehr wohl fundamental verändern kann.

Strongly correlated electron systems are known to exhibit a variety of extraordinary low temperature properties. The presence of 4f-electrons in cerium-based intermetallics leads to an interplay of RKKY interactions and the Kondo effect accompanied by the occurence of ground states like magnetic order or even superconductivity. Moreover, crystalline electric field effects play an important role for the behaviour of these compounds. External parameters like magnetic fields may strongly modify the system's properties at low temperatures. In this diploma thesis, the ternary system Ce_3Pd_4Si_4 has been studied as regards its physical properties. The aim of this diploma thesis was to describe which modifications occur in the aforementioned system, when one of the components is replaced by an element of the same group in the periodic table. Therefore, six specimen were prepared; two where silicon was substituted by germanium in different stoichimetric ratios and four where nickel replaced palladium. Resistivity measurements were performed using a four-point sensing method in the low temperature region (0.4 -300 K), inter alia in the presence of external magnetic fields up to 12 T. The magnetic susceptibility was measured in terms of the temperature-dependent and the field-dependent magnetisation. Additionally, heat capacity measurements were carried out in order to particularise the physical behaviour in line with the theoretical models. Subsequent analysis revealed for the Si-Ge substitution series Kondo lattice behaviour in the presence of crystalline electric field splitting. Yet the smallest substitution rate caused a transition into an antiferromagnetic groundstate in the measurement range, which wasn't observed in initial Ce_3Pd_4Si_4. In Ce_3Pd_4Si_2.8Ge_1.2, even two magnetic phase transitions were spotted. The volume of the unit cell increases, as silicon is exchanged for germanium, thus a release of chemical pressure is eminent. The four specimen of the Pd-Ni substitution series exhibit a strange and unexpected modification of magnetic properties. While lower substitution rates yield as well the appearance of an antiferromagnetic ground state, the Kondo behaviour changes drastically for higher substitutions. A shift of the resistivity maximum from temperatures around 5 K to 60 K is accompanied by a drop of the magnetoresistivity and the magnetic entropy by one order of magnitude. These findings are considerable, as they prove the fact that the substitution of a non-magnetic host material in a compound can modify magnetic properties remarkably.