Untersuchungen zum Magnetotransport und Magnetisierungseffekten in niederdimensionalen organischen Metallen und Supraleitern

Abstract

In dieser Arbeit wurden organische Metalle, hier speziell Radikalkationensalze basierend auf dem Donor BEDT-TTF und dem Donor TMTSF, mit Hilfe von Quantenoszillationen, die mit der de Haas-van Alphen- (dHvA) und der Shubnikov-de Haas- (SdH) Methode gemessen wurden, auf fermiologische Eigenschaften untersucht. Mit der Lifshitz-Kosevich-Theorie (LK-Theorie), die diese Quantenoszil-lationen beschreibt, können wichtige Informationen zur Charakterisierung der Materialien gewonnen werden. Aufgrund eines stapel- oder schichtförmigen Aufbaus weisen solche Substanzen niederdimensionale elektronische Eigenschaften auf. Mit Theta-(BEDT-TTF)2I3 wurden erstmals reine Kristalle untersucht, welche zuvor unter Zusatz und Einbau von -Anionen hergestellt worden waren. Die Kristalle zeigen beim Abkühlen bis zu einer Temperatur von 3,6 K metallische Eigenschaften und ein Teil wird bei tieferen Temperaturen supraleitend. Aufgrund der hohen Zweidimensionalität der elektronischen Eigenschaften besteht ihre Fermi-Fläche aus einem leicht gewellten Zylinder und aus leicht gewellten Ebenen. Wegen der hohen Reinheit der Einkristalle konnte diese leichte Wellung exakt bestimmt werden. Durch thermisches Behandeln bei 70°C für nur 2 Stunden konnte das Material in eine neue Phase, die sogenannte Theta(Temp) -Phase umgewandelt werden. Die Struktur dieser Phase zeigt, dass die Anordnung der BEDT-TTF-Moleküle sich bei dieser Umwandlung nicht ändert, die -Anionen aber im Gegen-satz zur Q-Phase in den Anionenkanälen auf festen Gitterplätzen und nicht wie dort auf statistisch verschobenen Plätzen sitzen. Es konnte mit Quantenoszillationsmes-sungen gezeigt werden, dass sich die Fermiologie im Rahmen der Messgenauigkeit nicht ändert. Da in Theta(Temp)-(BEDT-TTF)2I3 jedoch die Anionen geordnet vorliegen, steigt die Sprungtemperatur geringfügig auf 4 K an und im Gegensatz zu Theta-(BEDT-TTF)2I3 werden alle Kristalle supraleitend. Das Metall Kappa-(BEDT-TTF)2I3, das bei einer Temperatur von 4 K supralei-tend wird, besitzt extrem zweidimensionale elektronische Eigenschaften. So wurden im metallischen Zustand bei einer besonderen Orientierung, bei der das Magnetfeld senkrecht zu den leitenden Ebenen steht, Elektronenlokalisierungen - wie sie im Quanten-Hall-Effekt (QHE) und im fraktionierten Quanten-Hall-Effekt (FQHE) auftreten - entdeckt. In dieser Arbeit wurden Drücke bis zu 9 kbar an Kappa-(BEDT-TTF)2I3 angelegt, die die Kopplung der Ebenen erhöhten. Erstmals konnte gezeigt werden, dass die Elektronenlokalisierungen trotz der erhöhten Ebenenkopp-lung auch bei diesen Drücken noch auftreten. Bei Normaldruck ist (TMTSF)2ReO4 ein eindimensionales Metall, das beim Ab-kühlen bei 180 K einen Übergang in einen isolierenden Zustand macht. Durch einen Druck von 8,5 kbar kann dieser Phasenübergang unterdrückt werden, wie bereits früher gezeigt wurde. Bei tiefen Temperaturen konnten mit Quantenoszillations-messungen zweidimensionale Eigenschaften nachgewiesen werden. Dabei traten auch die bereits früher beobachteten feldinduzierten Spindichtewellen auf, die mit dem QHE in Verbindung stehen.

In the thesis the fermiological properties of some organic metals, here especially charge-transfer salt based on the donor BEDT-TTF and on the donor TMTSF, were investigated by quantum oscillation experiments, so called Shubnikov-de Hass- (SdH) and de Haas-van Alphen- (dHvA) measurements. For the first time neat single crystals of Theta -(BEDT-TTF)2I3 were examined. The crystals are metallic by cooling down to 3.6 K. A part of the crystals becomes superconducting at this temperature. Based on the high two-dimensionality of the electronic properties their Fermi surface consists of slightly warped cylinders and warped sheets. Due to the high pureness of the single crystals, the warping of the Fermi-cylinders could be estimated. With annealing the crystals at 70°C for only two hours, they could be transformed into a new phase, the so-called Theta(Temp)-Phase. Structure analysis shows that the arrangement of the (BEDT-TTF)-molecules remains unchanged. However, the -anions in the annealed phase are attached to fixed position in the lattice instead of being on statistically shifted positions in the anion channels, as it is in the non annealed phase. It could be shown by quantum oscillation measurements that the fermiology at the tempered crystals is not change in the range of the errors of measurements. Due to the highly ordered -anions the critical temperature for superconductivity is slightly increased (TC = 4-5 K) and in contrast to Theta-(BEDT-TTF)2I3 all examined samples became superconducting. The electronic properties of the superconductor Kappa-(BEDT-TTF)2I3 (TC = 4 K) are extremely two-dimensional. For the unique orientation of the conducting planes exactly perpendicular to the magnetic field in the metallic state localisations of carriers were observed as usually found in quantum-Hall-effect (QHE) and the fractional quantum-Hall-effect (FQHE) of two-dimensional semiconductors like metal-oxide field-effect transistor (MOSFET). In this thesis the inter-plane coupling was increased by applying pressure up to 9 kbar. For the first time the occurrence of localisations of carriers in spite of the increased inter-plane coupling was observed as well. (TMTSF)2ReO4 is a one-dimensional metal at ambient pressure, but by cooling below 180 K a insulating transition by anion ordering occurs. A pressure of at least 8.5 kbar can suppress the insulating phase transition, as already shown in literature. Quantum oscillation experiments showed that fast oscillations occur at low tem-peratures as well as field-induced spin-density-waves.