Ladungs- und Orbitalordnungsphänomene in Übergangsmetalloxidverbindungen unter hydrostatischem Druck: Diffraktometrische Studien mit Synchrotronstrahlung

The thesis is dealing with the investigation of charge and orbital order and their behaviour under external pressure. Therefore, a new pressure cell has been developed which allows the observation of superlattice reflections corresponding to the order phenomena under pressure using scattering of high-energy synchrotron radiation. The maximum pressure that can be reached is 1.25 GPa. Until today there has been no possibility to conduct such studies of charge and orbital order superlattice reflections under pressure using x-ray scattering. The intensities of the reflections of the single crystalline samples are quite weak compared to fundamental peaks. Therefore the measurements are strongly affected by the absorption of the radiation in the pressure cell itself. Further difficulties result from the facts that low temperatures are needed and the sample has to be oriented in reciprocal space after being mounted into the cell. Therefore, the design of a compact clamp-type piston pressure cell was chosen here. The cell is made from a copper-beryllium alloy with the wall thickness reduced in the height of the sample volume. This allows the usage inside a closed-cycle cryostat mounted on a three-axis-diffractometer. Absorption effects are minimized due to the combination of reduced wall thickness and the usage of high energy synchrotron radiation (E = 100 keV at the beamline BW5 at HASYLAB/DESY). The new experimental technique was established and used for a study of two representatives of the transition metal oxide compounds, i.e. doped cuprates and manganites, which belong to the class of strongly correlated electron systems. The 1/8-doped cuprate La_{2-x}Ba_{x}CuO_{4} reveals an ordered state at low temperatures. Inside the CuO_{2} planes a combined order of charge stripes and antiferromagnetic spin stripes is observed. The ordering results from the interaction between charge, spin and lattice degrees of freedom. Here the lattice degrees of freedom play a major role. Particularly, a structural transition from an orthorhombic to a tetragonal symmetry is prerequisite for the observation of the ordered state. The cell constructed in this work allows a more exact analysis of the coupling between the crystal lattice and the formation of the charge and spin ordered phase. The manganite system Pr_{0.7}(Ca_{0.9}Sr_{0.1})_{0.3}MnO_{3} shows a strong magnetoresistive effect, called colossal magnetoresistance (CMR). In this system, several ordered phases can be found, which exhibit charge, spin and - since the orbital degree of freedom is also present in the manganites - additionally orbital ordering phenomena. In particular, an antiferromagnetically spin ordered insulating phase, which is connected to a charge- and orbital ordered state competes with a ferromagnetic metallic phase. This competition leads to a phase separation, which determines the properties of the sample. Both phases are strongly coupled to the lattice degrees of freedom, so that application of external pressure drastically affects the interplay between the different phases and allows a detailed study of the relation between the charge and orbital ordered phase and the crystal structure.Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit dem Studium der Ordnungszustände von Ladungen und Orbitalen und deren Beeinflußung durch externen Druck. Als experimentelle Neuentwicklung wurde dafür eine Druckzelle entworfen, mit deren Hilfe die Beobachtung der jeweiligen Ordnungsphänomene unter Druck mittels der Streuung hochenergetischer Synchtrotronstrahlung möglich ist. Die Zelle erlaubt die Messung der orbitalen und Ladungsüberstrukturreflexe, welche aus den geordneten Zuständen resultieren, in einem Druckbereich bis 1.25 GPa. Die experimentelle Herausforderung ergibt sich hierbei aus der Tatsache, dass die Überstrukturreflexe im Vergleich zu den fundamentalen Reflexen der einkristallinen Proben sehr schwach sind und zusätzlich durch die Absorption im Mantelmaterial der Druckzelle stark beeinträchtigt werden. Darüber hinaus soll die Zelle bei tiefen Temperaturen einsetzbar und die Probe auch innerhalb der Zelle im reziproken Raum orientierbar sein. Bei dem hier realisierten Ansatz wurde für das Design daher der Typ einer kompakten Klemmdruckzelle aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung gewählt, deren Zellwände im Bereich des Probenvolumens reduziert wurden. Dadurch ist der Einsatz der Zelle im Inneren eines Closed-Cycle-Kryostaten auf einem Einkristall-Diffraktometer möglich. Aufgrund der geringen Wandstärke der Zelle und der Nutzung von hochenergetischer Röntgenstrahlung (E = 100 keV am Messplatz BW5 des HASYLAB/DESY) werden Absorptionseffekte minimiert. Die neue Messmethode wurde im Rahmen der Arbeit etabliert und zur Untersuchung zweier wichtiger Übergangsmetalloxidverbindungen (dotierte Kuprate, Manganate), die zur Klasse der stark korrelierten Elektronensysteme gehören, eingesetzt. Das 1/8-dotierte Kupratsystem La_{2-x}Ba_{x}CuO_{4}, weist bei tiefen Temperaturen einen statisch geordneten Zustand auf. Innerhalb der CuO_{2}-Schichten des Kristalls ergibt sich eine Ordnung, bei der sich Streifen lokalisierter Löcher und antiferromagnetische Bereiche abwechseln. Ursache dieses Zustands ist das Wechselspiel von Ladungen, Spins und strukturellen Freiheitsgraden. Dabei spielen letztere eine herausgehobene Rolle. So ist insbesondere ein struktureller Übergang von einer orthorhombischen zu einer tetragonalen Phase Voraussetzung für die Beobachtung der Ordnung. Die in dieser Arbeit aufgebaute Druckzelle erlaubt eine genauere Analyse des Zusammenhangs zwischen Struktur des Kristalls und der Ausbildung der ladungs- und spingeordneten Phase. Das Manganatsystem Pr_{0.7}(Ca_{0.9}Sr_{0.1})_{0.3}MnO_{3}, zeichnet sich durch einen sehr starken magnetoresistiven Effekt aus, der auch als kolossaler Magnetowiderstand (CMR) bezeichnet wird. Auch hier kann bei tiefen Temperaturen eine geordnete Phase beobachtet werden. Allerdings spielt in diesem System zusätzlich der orbitale Freiheitsgrad der Elektronen eine entscheidende Rolle, so dass sich eine kombinierte Ladungs- und Orbitalordnung ergibt. Diese Phase, die isolierend und zusätzlich antiferromagnetisch geordnet ist, steht im direkten Wettbewerb zu einer ferromagnetischen Phase. Aus dieser Konkurrenz ergibt sich eine Tendenz zur Phasenseparation, deren Effekte die Eigenschaften des Kristalls dominieren. Da beide Phasen stark an die strukturellen Freiheitsgrade gekoppelt sind, läßt sich das Gleichgewicht zwischen ihnen durch externen Druck beeinflussen und die Abhängigkeit der ladungs- und orbitalgeordneten Phase von den strukturellen Eigenschaften des Kristalls im Detail untersuchen