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Structural investigations on layered manganites and ruthenates

Inaugural Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln vorgelegt von Olaf Jochen Schumann aus Leverkusen
 
: Schumann, O.J.

:
Fulltext urn:nbn:de:0011-n-1464092 (22 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: c3e0dd00c865926617c0dc82a9a78dfe
Created on: 7.12.2010


Berlin: Mensch & Buch Verlag, 2010, VI, 142 pp.
Zugl.: Köln, Univ., Diss., 2010
ISBN: 978-3-86664-848-7
ISBN: 3-86664-848-0
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer INT ()
Strukturuntersuchung; Kristallzüchtung; Röntgendiffraktion; Neutronendiffraktion; Manganate; Ruthenate; geschichtete Perovskite; Ladungsordnung; orbitale Ordnung; Magnetstruktur; CLIP; Laueaufnahme; Laue-Programm; Einkristall-Orientierung; structural investigation; crystal preparation; x-ray diffraction; neutron diffraction; manganite; ruthenates; layered perovskite; charge order; orbital order; magnetic structure; laue exposure; laue-program; single crystal orientation

Abstract
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Präparation und der Strukturuntersuchung in zwei verschiedenen Übergangsmetalloxidfamilien.
Zum Einen werden einfach-geschichtete Manganate betrachtet mit einem besonderen Fokus auf der Untersuchung der Ladungsordnung bei Halbdotierung. Hierzu wurden in einem ersten Schritt sowohl poly- als auch einkristalline Proben hergestellt wobei für letztere das Zonenschmelzverfahren zur Anwendung kam. Eine Untersuchung der ladungsgeordneten Phase der beiden Verbindungen La0.5Sr1.5MnO4 und Pr0.5Ca1.5MnO4 erfolgte mittels Röntgen- und Neutroneneinkristalldiffraktion. Die ladungsgeordnete Phase in La0.5Sr1.5MnO4 geht dabei aus einer hochsymmetrischen tetragonalen Phase mit der Raumgruppe I4/mmm hervor, in welcher die MnO6 Oktaeder keinerlei Verkippung oder Rotation aufweisen. Dieses stellt damit ein besonders einfach zu behandelndes Modellsystem dar.
Das System Pr0.5Ca1.5MnO4 zeigt andererseits bereits eine Verkippung seiner MnO6 Oktaeder und ähnelt somit eher den stark verzerrten 3D Manganaten. Für beide Systeme konnte Struktur der ladungsgeordneten Phase bestimmt werden. Hierbei zeigte sich, dass das Zener-Polaron Modell die Struktur nicht beschreiben kann und stattdessen eine kombinierte Ladungs- und Orbitalordnung vorliegt.
Weiterhin wurde für das System La0.5Sr1.5MnO4 die Substitution von Mangan durch Ruthenium untersucht. Hierbei wurden eine starke Schwächung der Ladungs- und Orbitalordnung und ein Absinken der Übergangstemperatur beobachtet. Obwohl schon ein Austausch von zehn Prozent Mangan die Ladungs- und Orbitalordnung unterdrücken kann, konnte bis zu einer Dotierung von 30 Prozent kein metallisches Verhalten beobachtet werden.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Untersuchung von geschichteten Ruthenaten. Hier konnte der Phasenverlauf des Metall-Isolator- und des strukturellen übergangs in dem System Ca(2-x)Sr(x)RuO4 präzise bestimmt werden. Die hierzu benötigten Proben bei hohen Kalziumkonzentrationen (x>0.2) wurden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit hergestellt. Weiterhin wurde in diesem System die Rotationsverzerrung untersucht, die bei hohen Strontiumkonzentrationen verschwindet. Mit diesen Daten konnte das Phasendiagram von O. Friedt und P. Steffens verfeinert werden. Für das System Ca3Ru2O7 wurde abschließend die Magnetstruktur in der paramagnetischen, der antiferromagnetisch metallischen und der antiferromagnetisch isolierenden Phase bestimmt.

 

The subject of this thesis is the sample preparation and structural investigation of two families of the transition metal oxides.
The first class of transition metal oxide under investigation are single-layered manganites with special focus on the charge-ordering at half-doping. In addition to the synthesis of polycrystalline samples, several large single crystals were prepared with the floating zone method. The charge-ordered phase of La0.5Sr1.5MnO4 and Pr0.5Ca1.5MnO4 was investigated by neutron and x-ray single crystal diffraction. The charge ordering in the lanthanum/strontium compound emerges from the highly symmetric I4/mmm phase with perfect aligned MnO6 octahedra and could therefore regarded as a very pure model system.
The praseodymium/calcium compound on the other side exhibits tilted octahedra and resembles to a certain extend the situation found in the three-dimensional manganites. For both compounds the investigations presented in this thesis could definitively exclude the Zener-Polaron picture but reveal the realization of a charge- and orbital-ordered phase.
Furthermore the substitution of manganese by ruthenium has been explored. This efficiently weakens the order and reduces the transition temperature. While the charge order is suppressed by inclusion of 10% ruthenium, the system stays metallic up to 30% ruthenium content.
The second class of transition metal oxides regarded in this thesis are the ruthenates. A large number of polycrystalline samples of the Ca(2-x)Sr(x)RuO4 series has been prepared to follow the metal-insulator and S-Pbca/L-Pbca transition at high calcium concentrations (x<0.2). Furthermore the disappearance of the rotational distortion near the pure Sr2RuO4 was explored. Both investigations could be used to refine the existing phase-diagram of O. Friedt and P. Steffens. Finally a neutron single crystal diffraction study of Ca3Ru2O7 is presented. This allows to determine the nuclear and magnetic structure in the paramagnetic, antiferromagnetic metallic and antiferromagnetic insulating phase.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-146409.html