Thomas Niemöller, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :

"Röntgendiffraktometrische Untersuchungen der Ladungsordnungen in Selten-Erd-dotiertem La_2-xSr_xCuO₄ und in La_1-xSr_xMnO₃"

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden röntgendiffraktometrische Untersuchungen an Ladungsordnungen in Manganaten und Kupraten vorgestellt. Die dabei verwendeten hohen Photonenenergien von 100 keV und 120 keV ermöglichen aufgrund der großen Eindringtiefe das Studium der Volumeneingenschaften der einkristallinen Proben.

Die Manganate der Dotierungsserie La_1-xSr_xMnO₃ zeigen unterhalb der Curie-Temperatur einen stark reduzierten elektrischen Widerstand. Dieses als Kolossaler Magnetowiderstand (CMR) bekannte Phänomen kann qualitativ verstanden werden mit dem Modell des Doppelaustauschs von C. Zener. An der Phasengrenze zwischen isolierender und metallischer Phase treten Orbital- und möglicherweise auch Ladungsordnungen auf, die im Doppelaustauschmodell nicht berücksichtigt sind. Messungen an vier Proben der Serie  La_1-xSr_xMnO₃ mit den Dotierungen x=0.11, x=0.125, x=0.14 und x=0.15 zeigen eine Tieftemperaturphase (<150 K) mit einer Überstruktur, die einer Vervierfachung der kubischen Perovskitstruktur entspricht. Diese Tieftemperaturphase steht in einem Konkurrenzverhältnis zu in schwach dotierten Manganaten beobachteten kooperativen Jahn-Teller-Verzerrungen. Die Tieftemperaturphase ist gekennzeichnet durch eine nur in diesem engen Bereich des Phasendiagramms auftretende Orbitalordnung. Eine Ladungsordnung konnte nicht nachgewiesen werden.   In Nd-dotiertem La_2-xSr_xCuO₄ kann in der tetragonalen Tieftemperaturphase (LTT) eine Ordnung der Ladungsträger in Streifen beobachtet werden. Diese Streifen sind Domänenwände für eine antiferromagnetische Ordnung der Cu-Spins, die an einem Streifen einen Phasensprung von Pi erleidet. In dieser Arbeit werden detaillierte Messungen der Streifenordnung in La_1.6-xNd_0.4Sr_xCuO₄ vorgestellt. Proben mit x=0.10, x=0.12 und x=0.15 zeigen eine Streifenordnung, die immer beschränkt ist auf die LTT-Phase. Korrelationslängen für die Streifenordnung innerhalb der CuO₂-Ebene dieser Proben konnten ermittelt werden. Für  La_1.48Nd_0.4Sr_0.12CuO₄  ergeben sich bei 10 K Werte von 110(22) Å senkrecht und 48(7) Å parallel zu den Streifen. Erstmals konnte auch senkrecht zu den CuO₂-Ebenen eine Ordnung der Streifen nachgewiesen werden. Es ist gelungen, ein Strukturmodell zu erstellen, mit dem die Intensitäten der Überstrukturreflexe qualitativ richtig beschrieben werden können. Die gewonnenen Ergebnisse werden bewertet  vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion des Streifenbildes.

Titel

Kurzfassung

Summary

X-ray diffraction experiments have been performed to study charge ordering phenomena in manganites and cuprates. Photon energies of 100 keV and 120 keV have been utilized. The high penetration depths of the hard x-rays allows for probing the bulk of the studied single crystals.

In a ferromagnetic phase the manganites of the doping series La_1-xSr_xMnO₃ show a strongly reduced resistivity. This connection between resistivity and magnetism is well known as the collosal magnetoresistive effect (CMR) and is qualitatively explained with the double exchange model from C. Zener. At the borderline between the metallic and isolating phase orbital ordering and most likely charge ordering occurs. These structural and electrical properties are not considered in the double exchange model. Four samples of the doping series La_1-xSr_xMnO₃ have been studied with Sr-doping levels of x=0.11, x=0.125, x=0.14, and x=0.15. They all show a low temperature (<150 K) structural phase with a fourfold superstructure compared to the cubic perovskite unit cell. The appearance of this phase is connected to a complete suppression of the co-operative Jahn-Teller distortions which are usually observed in slightly doped manganites. In the low temperature structural phase a new kind of orbital ordering occurs. This ordering is restricted to the small doping range around x=1/8 in the structural phase diagram. Charge ordering might be a concomitant phenomenon, but further work is needed to elucidate this point.

In Nd doped La_2-xSr_xCuO₄ the stripe ordering of the holes in the CuO₂ planes has been studied in the low temperature tetragonal (LTT) phase. These stripes are antiphase domain walls for the antiferromagnetic ordering of the Cu spins. This work presents detailed information about the stripe ordering in La_1.6-xNd_0.4Sr_xCuO₄ . Samples with Sr doping levels of x=0.10, x=0.12, and x=0.15 show stripe ordering which is always restricted to the LTT phase. The correlation length of the stripe ordering has been succesfully measured in both directions of the CuO₂ plane. In La_1.48Nd_0.4Sr_0.12CuO₄  we find 48(7) Å parallel and 110(22) Å perpendicular to the stripes. There is also correlation between stripes in next nearest neighbour CuO₂ planes. A model for the local structural distortions around each stripe is given. It explains the intensity modulations of the superstructure reflectons in reciprocal space, especially along the l-direction. The experimental data is classified with respect to the actual discussion of stripe ordering in the CuO₂ planes.