Untersuchung der Kondo-Wechselwirkung in Cer 3d-Metall Siliciden

Abstract

Vielteilchenwechselwirkungen von Elektronen wie der Kondo-Effekt sind ein wichtiges Gebiet der Festkörperphysik, das auch hinsichtlich technologischer Anwendungen an Bedeutung zunimmt, da Kondo-Wechselwirkungen unter anderem zu ausgeprägten thermoelektrischen Effekten führen. In der vorliegenden Arbeit werden Kondo-Wechselwirkungen und deren Wechselspiel mit itinerantem Magnetismus untersucht. Als Materialklasse wurden hierfür intermetallische Selten-Erd-Verbindungen vom Strukturtyp RT9X4 (mit R... Selten-Erd Element, T... Übergangsmetall, X... Element der dritten und vierten Hauptgruppe) ausgewählt. Diese Verbindungen erlauben eine Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften durch Variation ihrer Zusammensetzung. Drei polykristalline Mischkristallserien Ce1-xLaxNi9Si4, CeNi9-xCuxSi4 und CeCo13-xSix wurden durch ein induktives Schmelzverfahren präpariert und durch Röntgen-Pulver-Diffraktometrie sowie Elektronenstrahl-Mikrosondenanalyse charakterisiert. Die Untersuchung der Wechselwirkungen wurde anhand Wärmekapazitäts-, Magnetisierungs- und Transportmessungen mit besonderem Augenmerk auf thermoelektrische Eigenschaften durchgeführt. Ausgehend von der ternären Verbindung CeNi9Si4, deren Kondo-Verhalten gut mit dem Coqblin-Schrieffer-Modell beschrieben wird, wurde durch verschiedene Substitutionen die Veränderung des Kondo-Verhaltens untersucht. Bei der Mischkristallreihe Ce1-xLaxNi9Si4 wurde bei einer magnetischen Verdünnung, ein Wechselspiel von inkohärentem und kohärentem Streuverhalten beobachtet. Die Variation der d-Elektronenzahl in CeNi9-xCuxSi4 zeigte eine Reduktion der charakteristischen Kondo-Energie durch Ni/Cu-Substitution. Zwei unterschiedliche Wechselwirkungsbeiträge konnten in der Mischkristallreihe CeCo13-xSix durch Co/Si-Substitution festgestellt werden. Ausgehend vom paramagnetischen CeCo9Si4, das zwischenvalentes Verhalten der Ce-4f Elektronen zeigt, wird bei Si-Anreicherung ein paramagnetischen Grundzustand erhalten, wohingegen bei Co-Anreicherung eine Überlagerung eines ferromagnetischen Grundzustandes der 3d-Elektronen mit zwischenvalentem Verhalten der 4f-Zustände beobachtet wird.

Many particle interactions of electrons as e.g. the Kondo effect are key topics in solid state physics with growing importance with respect to technical applications since Kondo correlations provoke, among others, pronounced thermoelectric effects. In this work Kondo interactions and their interaction with itinerant magnetism is investigated. Rare earth intermetallic compounds with structure-type RT9X4 (with R... rare earth element, T... transition metal, X... element of the third and fourth main group) were selected for this study. Through variation of their composition a tuning of the physical properties is achieved. Three polycrystalline solid solution series Ce1-xLaxNi9Si4, CeNi9-xCuxSi4 and CeCo13-xSix where prepared via inductive melting and characterised with x-ray powder diffraction and electron micro-probe analysis. For the investigation of electronic interactions measurements of the heat capacity, magnetisation and transport properties with a detailed view on thermoelectric features were performed. Starting from the ternary compound CeNi9Si4 where the Kondo behaviour is well described by the Coqblin-Schrieffer model, the effect of various substitutions was investigated. Magnetic dilution in the polycrystalline solid solution series Ce1-xLaxNi9Si4 reveals an interplay of coherent and incoherent scattering mechanisms. The variation of the number of d-electrons in CeNi9-xCuxSi4 via Ni/Cu substitution results in a reduction of the characteristic Kondo energy. Two different interaction mechanisms were observed in CeCo13-xSix upon Co/Si substitution. Starting from CeCo9Si4 which shows intermediate valence behavior of the Ce-4f electrons, a paramagnetic ground state is preserved when increasing the Si content, while on the other hand a surplus of Co provokes a ferromagnetic ground state of the 3d electrons in co-existence with intermediate valence behaviour of the 4f-state.