I denna avhandling som är en sammanställning av fyra publicerade artiklar och ett manuskript, rapporteras syntesmetoder, strukturbestämningar och studier av fysikaliska egenskaper för ett flertal olika legeringar. Dessa legeringarna har sammansättningarna Gd-Au-Si, Gd-Au-Ge, Tb-Au-Si, Ho-Au-Si och Yb-Au-Ge. Materialen har liknande kristallstrukturer och de tillhör en grupp av föreningar som kallas Tsai-typ 1/1 approximanter. Det finns dock små strukturella variationer mellan dessa föreningar särskilt vid centra för deras atomära kluster. Att undersöka effekten av mindre strukturella variationer på de fysikaliska egenskaperna hos dessa föreningar är ett av de viktigaste målen för denna studie. De fysikaliska egenskaperna som undersökts är främst termoelektriska och magnetiska egenskaper.
I artikel nummer I redovisar vi synteser, kristallstrukturbestämningar och termoelektriska egenskaper för Yb-Au-Ge, Gd-Au-Si och Gd-Au-Ge föreningarna. Att hitta de optimala syntesförhållandena för att få enfasiga prover var det första och förmodligen det viktigaste steget för denna studie.
Synteserna utfördes och optimerades med hjälp av självflödes tekniken.
Proverna som erhölls från de optimala syntesbetingelserna innehöll enkristaller som var lämpliga för strukturbestämning med röntgendiffraktion. Föreningarnas kristallstrukturer bestämdes genom uppsamling av röntgendiffraktionsintensiteter och behandling av data med charge-flipping metoden för strukturlösning och vidare förfining.
Strukturlösningarna visade att föreningarna i huvudsak är iso-strukturella med prototypen för en Tsai-typ 1/1 approximantkristall; YbCd6. Men det finns subtila strukturella variationer i närheten av klustercentra och i de så kallade kubiska interstitiella lägena som påverkar vissa fysikaliska egenskaper. De termoelektriska mätningarna visade att dessa föreningar i allmänhet inte är särskilt effektiva som termoelektriska material, men anmärkningsvärt är att deras värmeledningsförmåga är mycket lägre än den som förväntas av ett material som mestadels består av guld.
Gittervärmeledningsförmågan hos föreningarna jämfördes och markanta skillnader observerades. De bakomliggande orsakerna till dessa skillnader förklaras utifrån deras atomära strukturer och kemiska sammansättningar.
Slutsatsen drogs att både den lokala strukturen vid centrum av de atomära klustren; som kan vara en oordnad tetraeder eller en sällsynt
jordartsmetallatom, tillsammans med den kemiska ordningen för klustret är det som bestämmer gittervärmeledningsförmågan i dessa föreningar.
I artikel II och III, undersöktes de magnetiska egenskaperna hos Tb-Au-Si, Gd-Au-Si och Gd-Au-Ge. Studierna innefattade mätningar av magnetiska egenskaper och specifik värme på bulkprover vilka ger genomsnittliga värden. Resultaten visar att ferromagnetiska övergångar med Tc ≈ 22,5 K och Tc ≈ 13 K förekommer för föreningarna Gd-Au-Si respektive Gd-Au-Ge.
För Tb-Au-Si föreningen observerades en ferrimagnetiskt liknande övergång med Tc ≈ 9 K. Dessutom observerades för Gd-Au-Ge föreningen en återgående spinn-glas övergång (RSG) vid TRSG ≈ 3,3 K till skillnad från för Gd-Au-Si föreningen. Orsaken till RSG övergången för Gd-Au-Ge föreningen tros bero på närvaron en Gd atom som ersätter den centrala oordnade tetraedern i ca 10% av de atomära klustren. Denna studie motiverade behovet av ytterligare undersökningar av de magnetiska strukturerna med neutrondiffraktion. Gd innehållande prover är dock inte lämpliga för neutrondiffraktionsexperiment på grund av den höga absorptionen för neutroner. Därför valdes istället föreningen Tb-Au-Si för dessa mätningar. Föreningen syntetiserades och den magnetiska strukturen hos föreningen bestämdes genom pulverneutrondiffraktion. Förfiningen av den magnetiska strukturen bekräftade att de magnetiska momenten låg ordnade i en ferrimagnetiskt liknande konfiguration under 9 K. Såvitt vi vet är detta den första förfiningen av en kvasikristallapproximant med magnetisk fjärrordning. Undersökningen inger således hopp om att för första gången finna relaterade kvasikristaller med magnetisk fjärrordning.
I artikel IV, till fem Tb-Au-Si ACs som är avsiktligt förberedda har 0 %, 40
%, 52 %, 70 % och 100 % central Tb occupancies framställdes och deras magnetiska egenskaper undersöktes. Proverna framställdes genom en ny syntes metod som kallas "arc-smältsjälv flux" som står att dra nytta av de vanliga båge-smältning och självflödesmetoder. En tydlig förändring i magnetisk beteende mellan proverna observerades; Tc ändras från 11.5 K till 8 K när vi går från 0 % till 100 % av central-Tb positioner, respektive.
Dessutom förstärktes magneto-kristallin anisotropi iakttas för prover med högre central Tb occupancies. Studien visade att användning av den nya syntesförfarandet, var det möjligt att framställa Tb-Au-Si ACs med magnetiska egenskaper avstämda på atomär skala.
I artikel V, var stora enkristaller i Ho-Au-Si (≈ 100 mm3) och Tb-Au-Si (≈ 8 mm3) AC-system, avsett för enkristall neutrondiffraktion och andra magnetiska mätningar beredd och undersökas. I båda föreningarna långväga magnetiska beställning observerades vid Tc ≈ 4 K för Ho-Au-Si AC och Tc ≈ 11.5 K för Tb-Au-Si AC. Magnetiska mätningar på olika kristall ledning av en Tb-Au-Si AC indikerade magneto-kristallin anisotropi beteende.
Dessutom enkristall neutrondiffraktion experiment som utförs på den Tb-Au-Si AC visade flera rent magnetiska reflektioner nedan Tc.
Acknowledgements
First of all, I would like to express my deepest gratitude for my main supervisor Cesar Pay Gomez for introducing me to the wonderful world of quasicrystals and crystallography. Your encouragement and friendly advices will be kept with me for a long time if not forever. I would like to extend my gratefulness to my second supervisor Martin Sahlberg for all the knowledge that I grasp from you and for encouraging me to knock on you door whenever I am in need of help. My appreciation extends further to my third supervisor Torbjörn Gustaffson for your kind tutorial for some of the experimental tools and general discussions.
My appreciation goes to Kristina Edström for having me to your research group since I was a master student and financially assisting me during my PhD Study.
I have received endless technical and administrative guidance from Katarina Esraelsson (Tatti), Eva Larsson, Diana Bernelind, Anders Lund, Henrik Eriksson, Håkan Rundlöf, Peter Lundström and Mikael Ottosson, for that I would like to thank you from the bottom of my heart. Gabriel Oltean, Jiefang Zhu and Daniel Brandell have been very helpful especially during my first days in Uppsala and I would like to thank you for that. I feel privileged to collaborate (work together) with Tamura Ryuji, Takanoubu Hiroto, Tsunetomo Yamada, An Pang Tsai, Daniel Eklöf, Jekabs Grins, Mikael Andersson, Per Nordblad, Přemysl Beran, Pascal Manuel, Navid Qureshi, Jonas Ångstöm, Johan Cedervall, Hailiang Fang, and Viktor Höglin; I thank you very much.
Big thanks go to Mir Mahadi Hassan, Seif Alwan, Jonas Gunnarsson, Mario Valvo, Getachew Kebede and Mahadi Shahmohammadi for your amazing friendship and for being there for me whenever I was in need of your help;
without your company my life in Uppsala would have been boring. Especial thanks goes to my former office mate, Jia Liu, for sharing different ideas and the best office in the building.
For the rest of current and former colleagues in the department: Taha Ahmed, Burak Aktekin, Habtom Desta Asfaw, Fredrik Björefors, Erik Björklund, Andreas Blidberg, William Brant, Peter Broqvist, Solveig
Böhme, Katarzyna Ciosek Högström, Fères Dehchar, Mohammed Dahbi, Dou Du, Mahsa Ebadi, Gustav Ek, Anders Eriksson, Rickard Eriksson, Maria Hahlin, Matti Hellström, Antonia Kotronia, Jolla Kullgren, Kersti Hermansson, Fabian Jeschull, Matthew Lacey, Anti Liivat, Fredrik Lindgren, Chenjuan Liu, Fernanda Lodi Marzano, Viorica-Alina Oltean, Julia Maibach, Jonas Mindemark, Pavlin Mitev, Julia Morát, Sara Munktell, Tim Nordh, Ali Rafieefar, Stéven Renault, Viktor Renman, Adam Sobkowiak, Pedro Berastegui, Daniel Spångberg, Bing Sun, Josh Thomas, Matthew Wolf, Chao Xu, Reza Younesi, Yvonne Brandt Andersson, Tomas Edvinsson, Mattis Fondell, Charlotte Ihrfors, Ulf Jansson, Paulius Malinovskis, Kristina Johansson, Jesper Jacobsson, Karin Larsson, Koroush Lashgari, Erik Lewin, Fang Mao, Nils Nedfors, Leif Nyholm, Sarmad Naim Katea, Anna Pallas, Annika Pohl, Ruijun Pan, David Rehnlund, Yang Song, Jill Sundberg, Yuan Tian, Zhaohui Wang, Shuainan Zhao, Wei Wei, Gunnar Westin, Yiming Zou and Linus von Fieandt, thank you.
My sincere thanks go to my girl Friend, Hana, for your understanding, love and care. You gave me the best gifts of all the time, our son Emanuel. I love you so much.
I would like to pass my sincere thanks to old friends back home: Abex, Leul, Habtish gold, Dani kulel, Teleye, Dera, Nahom, Tate, Bil, Tesfish, Feke, Zed
… etc.
God has blessed me with a big family of big heart and love; they have been supporting me in every aspect of my life, from the time that I was immature till to date: my brothers, sisters and parents: Abera, Demisse, Belachew, Mebrat, Mule, Habtessa, Tedi, Estifanos, Yodit, Hailu and Askale, you have been my inspirations.
Last but definitely not the least; I would like to thank God and holy Virgin Mary for everything I own.
References
1 C. Janot, Quasicrystals A Primer (Oxford University Press Inc., Grenoble, 1994).
2 P. D. Adams, P. V. Afonine, R. W. Grosse-Kunstleve, R. J. Read, J. S.
Richardson, D. C. Richardson, and T. C. Terwilliger, Current Opinion in Structural Biology 19, 566 (2009).
3 G. Oszlanyi and A. Sueto, Acta Crystallographica Section A 67, 284 (2011).
4 Z. Zhongfu and K. D. M. Harris, Journal of Physical Chemistry A 112, 4863 (2008).
5 D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, and J. W. Cahn, Physical Review Letters 53, 1951 (1984).
6 A. Yamamoto, H. Takakura, and A. P. Tsai, Physical Review B 68, 094201 (2003).
7 H. Takakura, M. Shiono, T. J. Sato, A. Yamamoto, and A. P. Tsai, Physical Review Letters 86, 236 (2001).
8 A. Yamamoto, Acta Crystallographica Section A 52, 509 (1996).
9 A. I. Goldman, Science and Technology of Advanced Materials 15 (2014).
10 A. I. Goldman and R. F. Kelton, Reviews of Modern Physics 65, 213 (1993).
11 H. Takakura, C. Pay Gómez, A. Yamamoto, M. de Boissieu, and A. P. Tsai, Nature Materials 6, 6 (2007).
12 T. Ishimasa, H. U. Nissen, and Y. Fukano, Physical Review Letters 55, 511 (1985).
13 N. Wang and K. Kuo, in Materials Science Forum (Trans Tech Publ, 1987), p.
141.
14 D. Zhou, H. Q. Ye, D. Li, and K. Kuo, in Materials Science Forum (Trans Tech Publ, 1987), p. 163.
15 P. Sainfort and B. Dubost, Le Journal de Physique Colloques 47, 321 (1986).
16 A. P. Tsai, A. Inoue, and T. Masumoto, Japanese Journal of Applied Physics 26, L1505 (1987).
17 A. P. Tsai, A. Inoue, and T. Masumoto, Materials Transactions, JIM 30, 150 (1989).
18 A. P. Tsai, J. Q. Guo, E. Abe, H. Takakura, and T. J. Sato, Nature 408, 537 (2000).
19 L. Bindi, P. J. Steinhardt, N. Yao, and P. J. Lu, Science 324, 1306 (2009).
20 G. J. MacPherson, et al., Meteoritics and Planetary Science 48, 1499 (2013).
21 D. A. Shulyatev, Crystallography Reports 52, 938 (2007).
22 U. Mizutani, H. Sato, M. Inukai, Y. Nishino, and E. S. Zijlstra, Inorganic Chemistry 54, 930 (2015).
23 C. Cui and A. P. Tsai, Journal of Crystal Growth 312, 131 (2009).
24 K. Urban, J. M. Dubois, and E. Belin-Ferré, Complex metallic alloys:
fundamentals and applications (John Wiley & Sons, 2010).
25 T. P. Yadav, N. K. Mukhopadhyay, and O. N. Srivastava, The Banaras Metallurgist 19, 53 (2014).
26 I. Fisher, K. Cheon, A. Panchula, P. Canfield, M. Chernikov, H. Ott, and K.
Dennis, Physical Review B 59, 308 (1999).
27 I. R. Fisher, M. J. Kramer, Z. Islam, T. A. Wiener, A. Kracher, A. R. Ross, T.
A. Lograsso, A. I. Goldman, and P. C. Canfield, Materials Science and Engineering: A 294–296, 10 (2000).
28 T. J. Sato, H. Takakura, and A. P. Tsai, Japanese Journal of Applied Physics 37, L663 (1998).
29 H. Jeong, S. Kim, W. Kim, D. Kim, and B. Inkson, Journal of Crystal Growth 217, 217 (2000).
30 P. Gille, P. Dreier, M. Gräber, and T. Scholpp, Journal of Crystal Growth 207, 95 (1999).
31 P. C. Canfield and I. R. Fisher, Journal of Crystal Growth 225, 155 (2001).
32 R. Penrose, bulletin of the institute of mathematics and its applications 10, 266 (1974).
33 A. L. Mackay, Physica A 114, 609 (1982).
34 T. Koshy, Fibonacci and Lucas numbers with applications (John Wiley &
Sons, 2011).
35 C. Pay Gómez, PhD Thesis, Stockholm university, 2003.
36 T. Ninomiya, Journal of the Physical Society of Japan 55, 3709 (1986).
37 V. Elser and C. L. Henley, Physical Review Letters 55, 2883 (1985).
38 P. Kramer and R. Neri, Acta Crystallographica Section A 40, 580 (1984).
39 S. Olsson, PhD Thesis, Linköping University, 2013.
40 M. Cooper and K. Robinson, Acta Crystallographica 20, 614 (1966).
41 G. Bergman, J. L. T. Waugh, and L. Pauling, Acta Crystallographica 10, 254 (1957).
42 Christopher, L. Henley, and V. Elser, Philosophical Magazine Part B 53, L59 (1986).
43 A. Palenzona, Journal of the Less-Common Metals 25, 367 (1971).
44 Q. Lin and J. D. Corbett, Inorganic Chemistry 49, 10436 (2010).
45 G. H. Gebresenbut, R. Tamura, D. Eklof, and C. Pay Gómez, Journal of Physics: Condensed Matter 25, 135402 (2013).
46 G. H. Gebresenbut, M. S. Andersson, P. Nordblad, M. Sahlberg, and C. Pay Gómez, Inorganic Chemistry 55, 2001 (2016).
47 J. Q. Guo, E. Abe, and A. P. Tsai, Physical Review B 62, R14605 (2000).
48 P. Bak, Physical Review Letters 56, 861 (1986).
49 C. Pay Gómez and A. P. Tsai, Comptes Rendus Physique 15, 30 (2014).
50 J. M. Dubois, Chemical Society reviews 41, 6760 (2012).
51 J. J. Hauser, H. S. Chen, and J. V. Waszczak, Physical Review B 33, 3577 (1986).
52 Z. M. Stadnik, G. Stroink, H. Ma, and G. Williams, Physical Review B 39, 9797 (1989).
53 S. Kenzari, V. Demange, P. Boulet, M. C. de Weerd, J. Ledieu, J. M. Dubois, and V. Fournée, Journal of Physics: Condensed Matter 20, 095218 (2008).
54 T. Hiroto, G. H. Gebresenbut, C. Pay Gómez, Y. Muro, M. Isobe, Y. Ueda, K.
Tokiwa, and R. Tamura, Journal of Physics: Condensed Matter 25, 426004 (2013).
55 Y. Takagiwa and K. Kimura, Science and Technology of Advanced Materials 15, 044802 (2014).
56 K. Kimura, J. T. Okada, H. Kim, T. Hamamatsu, T. Nagata, and K. Kirihara, in Materials Research Society Symposium Proceedings (Warrendale, Pennsylvania, 2006), p. F06.
57 Y. Takagiwa, T. Kamimura, S. Hosoi, J. T. Okada, and K. Kimura, Journal of Applied Physics 104, 073721 (2008).
58 Y. Takagiwa, T. Kamimura, J. T. Okada, and K. Kimura, Journal of Electronic Materials 39, 1885 (2010).
59 E. Maciá, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 37, 215 (2012).
60 P. C. Gibbons and K. F. Kelton, Physical Properties of Quasicrystals (Springer, Berlin Heidelberg, 1999), p. 403.
61 F. J. Hermanek, (Praxair S.T. Technology Inc., Danbury, US, 2001).
62 M. Watanabe, A. Inoue, H. M. Kimura, T. Aiba, and T. Masumoto, Materials Transactions, JIM 34, 162 (1993).
63 J. Dolinšek, et al., Physical Review B 76, 1 (2007).
64 Y. K. Vekilov, E. I. Isaev, and B. Johansson, Solid State Communications 133, 473 (2005).
65 P. Wang, Z. M. Stadnik, K. Al-Qadi, and J. Przewoznik, Journal of Physics:
Condensed Matter 21, 436007 (2009).
66 A. I. Goldman, T. Kong, A. Kreyssig, A. Jesche, M. Ramazanoglu, K. W.
Dennis, S. L. Bud´ko, and P. C. Canfiel, Nature materials 12, 714 (2013).
67 Fitriani, R. Ovik, B. D. Long, M. C. Barma, M. Riaz, M. F. M. Sabri, S. M.
Said, and R. Saidur, Renewable and Sustainable Energy Reviews 64, 635 (2016).
68 T. C. Harman, P. J. Taylor, M. P. Walsh, and B. E. LaForge, Science 297, 2229 (2002).
69 T. M. Tritt, Recent Trends in Thermoelectric Materials Research, Part Two (Academic Press, 2000).
70 G. A. Slack, Handbook of Thermoelectrics (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995).
71 M. H. Elsheikh, D. A. Shnawah, M. F. M. Sabri, S. B. M. Said, M. H. Hassan, M. B. A. Bashir, and M. Mohamad, Renewable and Sustainable Energy Reviews 30, 337 (2014).
72 A. Bilušic, A. Smontara, J. C. Lasjaunias, J. Ivkov, and Y. Calvayrac, Materials Science and Engineering 294–296, 711 (2000).
73 Y. Muro, T. Sasakawa, T. Suemitsu, T. Takabatake, R. Tamura, and S.
Takeuchi, Japanese Journal of Applied Physics 41, 3787 (2002).
74 E. Maciá, Journal of Applied Physics 93, 1014 (2003).
75 T. Takeuchi, T. Otagiri, H. Sakagami, T. Kondo, U. Mizutani, and H. Sato, Physical Review B 70, 144202 (2004).
76 A. L. Pope, T. M. Tritt, M. A. Chernikov, and M. Feuerbacher, Applied Physics Letters 75, 1854 (1999).
77 T. Nagata, K. Kirihara, and K. Kimura, Journal of Applied Physics 94, 6560 (2003).
78 E. Maciá, Applied Physics Letters 77, 3045 (2000).
79 T. Takeuchi and U. Mizutani, Physical Review B 52, 9300 (1995).
80 H. Euchner, T. Yamada, H. Schober, S. Rols, M. Mihalkovic, R. Tamura, T.
Ishimasa, and M. de Boissieu, Journal of Physics: Condensed Matter 24, 415403 (2012).
81 L. E. Bell, Science 12, 1457 (2008).
82 C. Kittel, Introduction to solid state physics, 5th edition (Wiley, 1976).
83 D. Sherrington and S. Kirkpatrick, Physical Review Letters 35, 1792 (1975).
84 A. P. Young, Spin glasses and random fields (World Scientific, 1997).
85 M. Lederman, R. Orbach, J. M. Hammann, M. Ocio, and E. Vincent, Physical Review B 44, 7403 (1991).
86 S. F. Edwards and P. W. Anderson, Journal of Physics F: Metal Physics 5, 11 (1975).
87 R. Lifshitz, Materials Science and Engineering: A 294–296, 508 (2000).
88 V. Simonet, F. Hippert, M. Audier, and Y. Calvayrac, Materials Science and Engineering A 294–296, 625 (2000).
89 T. J. Sato, Acta Crystallographica Section A 61, 39 (2004).
90 S. Ibuka, K. Iida, and T. J. Sato, Journal of Physics: Condensed Matter 23, 056001 (2011).
91 R. Tamura, Y. Muro, T. Hiroto, K. Nishimoto, and T. Takabatake, Physical Review B 82, 220201 (2010).
92 T. Hiroto, K. Tokiwa, and R. Tamura, Journal of Physics: Condensed Matter 26, 1 (2014).
93 G. H. Gebresenbut, M. S. Andersson, P. Beran, P. Manuel, P. Nordblad, M.
Sahlberg, and C. Pay Gómez, Journal of Physics: Condensed Matter 26 (2014).
94 U. S. Energy Information Administration, in International Energy Outlook (U.
S. department of energy, 2013).
95 T. Takeuchi, Journal of the Crystallographic Society of Japan 49, 61 (2007).
96 O. Gutfleisch, M. A. Willard, E. Bruck, C. H. Chen, S. G. Sankar, and J. P.
Liu, Advanced Materials 23, 821 (2011).
97 I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma, Reviews of Modern Physics 76, 323 (2004).
98 E. Y. Vedmedenko, U. Grimm, and R. Wiesendanger, Philosophical Magazine 86, 733 (2006).
99 E. Y. Vedmedenko, U. Grimm, and R. Wiesendanger, Physical Review Letters 93, 076407 (2004).
100 Y. Okabe and K. Niizeki, Journal of the Physical Society of Japan 57, 16 (1988).
101 C. Godréche, J. M. Luck, and H. Orland, Journal of Statistical Physics 45, 777 (1986).
102 Q. Lin and J. D. Corbett, Inorganic Chemistry 49, 4570 (2010).
103 F. G. Meng, H. S. Liu, L. B. Liu, and Z. P. Jin, Journal of Alloys and Compounds 431, 292 (2007).
104 H. Okamoto and T. B. Massalski, Bulletin of Alloy Phase Diagrams 4, 9 (1983).
105 J. O. Andersson, T. Helander, L. Höglund, P. F. Shi, and B. Sundman, Calphad 26, 273 (2002).