Einkristallzüchtung niederdimensionaler und leitfähiger Cuprate unter hohem Sauerstoffdruck
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kuprate mit Supraleitung und/oder niedrigdimensionaler Spin- bzw. Ladungsordnung sind Gegenstand der Grundlagenforschung stark korrelierter Quantensysteme. Im vorliegenden Projekt wurden Einkristalle komplexer Kupratverbindungen der Systeme Ca2+xY2-xCu5O10 und Ca2-xNd2-xCu5O10 mit der Travelling Solvent Floating Zone (TSFZ)-Methode gezüchtet. Unter erhöhtem Sauerstoffdruck bis 60 bar (6 MPa) konnten neue Verbindungenmit unterschiedlichen Ca-Dotierungen x hergestellt werden,die unterNormalatmosphäre nicht stabil sind. Unter den experimentellen Bedingungen undbei den verwendetenSauerstoffdrückenwurdenhochdotierte Phasen bis x = 1.88 für Ca2+xY2-xCu5O10 bzw. x = 0.9 für Ca2+xNd2-xCu5O10 gezüchtet. Die umfangreichen Konstitutionsuntersuchungen bewiesen den erweiterten Stabilitätsbereich der Verbindungen hinsichtlich hoher Ca-Dotierungen im Vergleich zu den an Luft ermittelten Phasendiagrammen. Die untersuchten Verbindungen erstarren peritektisch. Es wurden die Koexistenzen der Kupratverbindungen mit weiteren binären bzw. ternären Phasen aufgeklärt, die zu unterschiedlichen Wachstumsmechanismen und zu einer verschieden Morphologie der Gefüge im Anfangsbereich der Züchtung führen. Durch die züchtungsrelevanten Teile der Phasendiagramme wurde der Prozess optimiert. Die Kristallzüchtung mit dem TSFZ Verfahren erfolgte durchgehend mit einer CuO-reichen Schmelzzone, die ein Sauerstoffdefizit aufweist. Für das SystemCa2+xY2-xCu5O10wurde in der Schmelze eine Mischungslücke beobachtet. Durch Strukturuntersuchungen an Einkristallen konnten die Änderungen der Gitterkonstanten vonCa2+xY2-xCu5O10 mit der Ca-Dotierung x systematisch aufgeklärt werden. Ca2Nd2Cu5O10 besitzt die gleiche inkommensurable Struktur, die aus zwei monoklinen Untergittern besteht. Sie kann durch eine monokline Superzelle beschrieben werden. Magnetisierungsmessungen an Ca2+xY2-xCu5O10-Einkristallen ergaben antiferromagnetische Ordnung unterhalb von TN = 28 K für x = 0. Für höhere Dotierungen x sinken sowohl die Magnetisierung als auch die Ordnungstemperatur TN, und bei x = 1.8 ist kein magnetischer Phasenübergang nachweisbar. Auch Ca2Nd2Cu5O10 besitzt eine langreichweitige antiferromagnetische Ordnung unterhalb der Néeltemperatur TN = 24 K. Die Orientierungsabhängigkeit wurde an einkristallinen Proben ermittelt. Bei Ca-Dotierung (x = 1) fällt die Ordnungstemperatur auf TN = 17 K. Damit konnten wichtige physikalische Eigenschaften von Verbindungen aufgeklärt werden, für die bisher noch keine Einkristalle existierten. Das Vorhaben führte zur Erarbeitung von Know-how zur Einkristallzüchtung von Kupratverbindungen für die Weiterentwicklung und Kommerzialisierung einer Hochdruck-Zonenschmelzanlage und schuf wissenschaftliche Grundlagen zur Züchtung weiterer Einkristalle von Übergangsmetalloxiden unter hohem Druck.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Quasi-one-dimensional hopping conductivity of the spin-ladder CaCu2O3 single crystals: Influence of the cation and oxygen nonstoichiometry. J. Appl. Phys. 103 (2008) No. 123712
K. G. Lisunov, N.Wizent, A.Waske, J. Werner, N. Tristan, C. Sekar, G. Krabbes, G. Behr, E. Arushanov, B. Büchner
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Charge ordering in La1.8-xEu0.2SrxCuO4 studied by resonant soft x-ray diffraction. Phys. Rev. B 79 (2009) No. 100502
J. Fink, E. Schierle, E. Weschke, J. Geck, D. Hawthorn, V. Soltwisch, H.H. Wu, H.A. Dürr, N. Wizent, B. Büchner, G.A. Sawatzky
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Evidence for Fermi surface reconstruction in the static stripe phase of La1.8-xEu0.2SrxCuO4, x=1/8. EPL 86 (2009) No. 4700
V. B. Zabolotnyy, A.A. Kordyuk, D. S. Inosov, D.V. Schuster, B. Büchner, N. Wizent, G. Behr, S. Pyon, T. Takayama, H. Takagi, R. Follath, S.V. Borisenko
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Highly dispersive spin excitations in the chain cuprate Li2CuO2. EPL 88 (2009) No. 37002
W. E. A. Lorenz, R. O. Kuzian, S. -L. Drechsler, W.-D. Stein, N. Wizent, G. Behr, J. Malek, U. Nitzsche, H. Rosner, A. Hiess, W. Schmidt, R. Klingeler, M. Loewenhaupt, B. Büchner
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Phase diagram features and solidification behaviour of CoCu2O3 at elevated oxygen pressure. J. Solid State Chemistry, 182 (2009) 2036–2040
N. Wizent, L. Schramm, G. Behr, W. Löser, W. Gruner, A. Voß, B. Büchner, L. Schultz
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Single crystal growth of LiMnPO4 by the floating zone method. J. Cryst. Growth 311 (2009) 1273-77
N. Wizent, G. Behr, F. Lipps, I. Hellmann, R. Klingeler, V. Kataev, W. Löser, N. Sato, B. Büchner
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Ballistic heat transport of quantum spin excitations as seen in SrCuO2. Phys. Rev. B 81 (2010) No. 020405
N. Hlubek, P. Ribeiro, R. Saint-Martin, A.Revcolevschi, G. Roth, G. Behr, B. Büchner, C. Hess
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Influence of heat distribution and zone shape in the floating zone growth of selected oxide compounds. J. Mater. Sci. 45 (2010) 2223-2227
G. Behr, W. Löser, N. Wizent, P. Ribeiro, M.-O. Apostu, D. Souptel
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Bond disorder and breakdown of ballistic heat transport in the spin-1/2 antiferromagnetic Heisenberg chain as seen in Ca-doped SrCuO2. Phys. Rev. B 84 (2011) No. 214419
N. Hlubek, P. Ribeiro, R.Saint-Martin, S. Nishimoto, A. Revcolevschi, S.-L.Drechsler, G. Behr, J. Trinckauf, J.E. Geck, B. Büchner, C. Hess
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Challenges in the crystal growth of Li2CuO2 and LiMnPO4. J. Cryst. Growth 318 (2011) 995-999
N. Wizent, G. Behr, W. Löser, B. Büchner
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Spin Gap in the Zigzag Spin-1/2 Chain Cuprate Sr0.9Ca0.1CuO2. Phys. Rev. Lett. 107 (2011) No. 017203
F. Hammerath, S. Nishimoto, H. -J. Grafe, A.U.B. Wolter, V. Kataev, P. Ribeiro, C. Hess, S.-L. Drechsler, B. Büchner
