Electronic structure and physical properties of Heusler compounds for thermoelectric and spintronic applications

This thesis focuses on synthesis as well as investigations of the electronic structure and properties of Heusler compounds for spintronic and thermoelectric applications.rnThe first part reports on the electronic and crystal structure as well as the mechanical, magnetic, and transport properties of the polycrystalline Heusler compound Co2MnGe. The crystalline structure was examined in detail by extended X-ray absorption fine structure spectroscopy and anomalous X-ray diffraction. The low-temperature magnetic moment agrees well with the Slater-Pauling rule and indicates a half-metallic ferromagnetic state of the compound, as is predicted by ab-initio calculations. Transport measurements and hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) were performed to explain the electronic structure of the compound.rnA major part of the thesis deals with a systematical investigation of Heusler compounds for thermoelectric applications. Few studies have been reported on thermoelectric properties of p-type Heusler compounds. Therefore, this thesis focuses on the search for new p-type Heusler compounds with high thermoelectric efficiency. The substitutional series NiTi1−xMxSn and CoTi1−xMxSb (where M = Sc, V and 0 ≤ x ≤ 0.2) were synthesized and investigated theoretically and experimentally with respect to electronic structure and transport properties. The results show the possibility to create n-type and p-type thermoelectrics within one Heusler compound. The pure compounds showed n-type behavior, while under Sc substitution the system switched to p-type behavior. A maximum Seebeck coefficient of +230 μV/K (at 350 K) was obtained for NiTi0.26Sc0.04Zr0.35Hf0.35Sn, which is one of the highest values for p-type thermoelectric compounds based on Heusler alloys up to now. HAXPES valence band measurement show massive in gap states for the parent compounds NiTiSn, CoTiSb and NiTi0.3Zr0.35Hf0.35Sn. This proves that the electronic states close to the Fermi energy play a key role for the behavior of the transport properties. Furthermore, the electronic structure of the gapless Heusler compounds PtYSb, PtLaBi and PtLuSb were investigated by bulk sensitive HAXPES. The linear behavior of the spectra close to εF proves the bulk origin of Dirac-cone type density of states. Furthermore, a systematic study on the optical and transport properties of PtYSb is presented. The compound exhibits promising thermoelectric properties with a high figure of merit (ZT = 0.2) and a Hall mobility μh of 300 cm2/Vs at 350 K.rnThe last part of this thesis describes the linear dichroism in angular-resolved photoemission from the valence band of NiTi0.9Sc0.1Sn and NiMnSb. High resolution photoelectron spectroscopy was performed with an excitation energy of hν = 7.938 keV. The linear polarization of the photons was changed using an in-vacuum diamond phase retarder. Noticeable linear dichroism is found in the valence bands and this allows for a symmetry analysis of the contributing states. The differences in the spectra are found to be caused by symmetry dependent angular asymmetry parameters, and these occur even in polycrystalline samples without preferential crystallographic orientation.rnIn summary, Heusler compounds with 1:1:1 and 2:1:1 stoichiometry were synthesized and examined by chemical and physical methods. Overall, this thesis shows that the combination of first-principle calculations, transport measurements and high resolution high energy photoelectron spectroscopy analysis is a very powerful tool for the design and development of new materials for a wide range of applications from spintronic applications to thermoelectric applications.rn

Die vorliegende Arbeit richtet sich auf die Synthese sowie Untersuchungen der elektronischen Struktur und Eigenschaften der Heusler-Verbindungen für Spintronik und thermoelektrische Anwendungen.rnDer erste Teil berichtet über die elektronische und kristalline Struktur sowie die mechanischen, magnetischen und Transport Eigenschaften des polykristallinen Heusler Verbindung Co2MnGe. Die kristalline Struktur wurde ausführlich mit erweiterter Röntgen-Absorptions-Feinstruktur-Spektroskopie (EXAFS) und anomale Röntgenbeugung untersucht. Die Tieftemperatur-magnetische Moment stimmt mit der Slater-Pauling-Regel überein und deutet auf eine halb-metallischen ferromagnetischen Zustand der Verbindung, wie es durch ab-initio Rechnungen vorhergesagt. Transportmessungen und harte Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (HAXPES) wurden durchgeführt, um die elektronische Struktur der Verbindung zu erklären. Ein großer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einer systematischen Untersuchung der Heusler Verbindungen für thermoelektrische Anwendungen.rnDiese Arbeit konzentriert sich auf die Suche nach neuem p-leitende Heusler Verbindungen mit hoher thermoelektrischer Effizient. Die Substitutionsserien NiTi1 xMxSn und CoTi1-xMxSb (mit M = Sc, V und 0 ≤ x ≤ 0,2) wurden synthetisiert und theoretisch und experimentell untersucht in Bezug auf elektronische Struktur und Transporteigenschaften. Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, n-leitende und p-leitende Verbindung herzustellen aus der gleichen Heusler Verbindung. Die reinen Verbindungen zeigte n-leidend Verhalten, während unter Sc Substitution das System ein p-leitendes Verhalten zeigt. Ein maximaler Seebeck-Koeffizient von +230 µV / K (bei 350 K) wurde für NiTi0.26Sc0.04Zr0.35Hf0.35Sn erreicht. HAXPES Valenzband Messung deuten auf eine massive in-gap Zustände für den Stammverbindungen NiTiSn und CoTiSb. Dies beweist, dass die elektronischen Zustände an der Fermi-Kante EF eine wichtige Rolle für das Verhalten der Transport Eigenschaften. Weiterhin, wurde die elektronische Struktur der gapless Heusler-Verbindungen PtYSb, PtLaBi und PtLuSb mit HAXPES untersucht. Das lineare Verhalten der Spektren der Nähe EF weisen auf einer Dirac-Konus-artigen Zustandsdichte. Weiterhin wurde die optischen und Transport Eigenschaften von PtYSb vorgestellt. Die Verbindung zeigt versprechenden thermoelektrischen Eigenschaften mit einer hohen Gütefaktor (ZT = 0,2) und einem Hall-Beweglichkeit von 300cm2/Vs bei 350 K.rnDer letzte experimentelle Teil, beschäftigt sich um den Linear Dichroismus in der Winkelverteilung der Photoelektronen in Kombination mit HAXPES. Deutliche Lineardichroismus wird in den Valenzbändern vom NiTiSn und NiMnSb wurden beobachtet. Dies ermöglicht einer Analyse der Symmetrie der Zustände. Der beobachtete Unterschied in den Spektren ist durch die Symmetrie abhängigen Winkel-Asymmetrie Parameter. rnDie Kombination aus Bandstruktur Berechnungen, harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Messungen der Transporteigenschaften (thermische und elektrische Leitfähigkeit, Seebeck Koeffizient, Ladungsträgerkonzentration etc.) ist eine leistungsfähige Methode zur Entwicklung neuer Materialien für Spintronik und thermoelektrische Anwendungen.rn