Universität zu Köln

Interplay between Transport, Magnetism and Structural Properties of Transition Metal Oxides under High Pressure

Lengsdorf, Roman G. (2005) Interplay between Transport, Magnetism and Structural Properties of Transition Metal Oxides under High Pressure. PhD thesis, Universität zu Köln.

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      Abstract

      The effect of external pressure on the electronic, magnetic and structural properties of two novel types of transition metal oxides (RNiO_3 and (La,Sr)CoO_3) that allows one to investigate the influence of charge ordering, spin-state transition, magnetic ordering and structure on the electrical transport and in particular the mechanism of the metal insulator (MI) transition. The applied experimental methods were electrical resistance, x-ray diffraction, 151^Eu nuclear resonance scattering, magnetization, neutron diffraction and K_beta x-ray emission spectroscopy. The major part of this thesis was devoted to the high pressure investigation of the RNiO_3 series (R = Sm, Eu, Y and Lu), in which the temperature-induced MI transition (at a temperature T_MI) is connected with an orthorhombic-monoclinic structural phase transition and simultaneous charge ordering of the Ni^3+ ions. At temperatures lower than T_MI, all these compounds undergo antiferromagnetic ordering. In all investigated compounds we find a pressure-induced insulator metal (IM) transition for 5.4 < p < 6.2 GPa, which is in contrast to the temperature-induced MI transition, is not connected with a structural phase transition. The puzzle of the observation of the pressure-induced metallic state in a monoclinic symmetry, where a charge ordered state exists has been unraveled by performing high resolution neutron diffraction measurements on LuNiO_3 under high pressure. The analysis of the (Ni-O) bond length of the two Ni-sites (Ni1 and Ni2) in LuNiO_3 reveals that the bond lengths along the c-axis become nearly equal at 6 GPa which leads to a partial melting of the charge ordering that triggers the IM transition. The second part of this thesis describes the high pressure study on La_{1-x}Sr_xCoO_3 in which the Co^3+ ions exhibit the possibility to change their spin-state. The ground state of the undoped insulating system is the low-spin (LS, S = 0) configuration. For doped samples (x > 0.2) the conductivity and ferromagnetic coupling are suggested to be related to the double exchange of LS Co^4+ and intermediate-spin (IS, S = 1) Co^3+ states. We have investigated the effect of pressure on the electronic, magnetic and structural properties on a single crystal sample of conducting, ferromagnetic La_{0.82}Sr_{0.18}CoO_3. Contrary to the results reported on related systems, we find a transition from the conducting to an insulating state and a reduction of the magnetic ordering temperature T_C with increasing pressure while the lattice structure remains unchanged. The investigation of the effect of pressure on the Co magnetic moment both by magnetization measurements and Co K_beta x-ray emission spectroscopy prove that the pressure-induced metal insulator transition is driven by a gradual change of the spin-state of Co^3+ ions from magnetic IS to nonmagnetic LS state.

      Item Type: Thesis (PhD thesis)
      Translated abstract:
      AbstractLanguage
      Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluß äußeren Druckes auf die elektronischen, magnetischen und strukturellen Eigenschaften einiger ausgewählter Übergangsmetalloxid-Verbindungen (RNiO_3 und (La,Sr)CoO_3) zu untersuchen. Hauptaugenmerk galt hierbei dem Einfluß der Ladungsordnung, der Spin-Zustandsänderung, magnetischen Ordnung und Struktur auf den elektrischen Transport und insbesondere den Mechanismus des Metall-Isolator (MI)-Übergangs zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden an diesen Verbindungen elektrische Widerstandsmessungen, Röntgen-Diffraktometrie, kernresonante Streuung an 151^Eu, Magnetisierungsmessungen, Neutronen-Diffraktometrie und K_beta Röntgenemissionsmessungen durchgeführt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Untersuchung der RNiO_3 (R = Sm, Eu, Y und Lu) Serie, in welcher der temperatur-induzierte MI-Übergang (bei einer Temperatur T_MI) verknüpft ist mit einem strukturellen Phasenübergang (orthorhombisch-monoklin) und gleichzeitig auftretender Ladungsordnung der Ni^3+ Ionen. Darüberhinaus zeigen alle Verbindungen unterhalb T_MI antiferromagnetische Ordnung. Es zeigte sich bei den untersuchten Systemen ein druckinduzierter Isolator-Metall (IM)-Übergang (5 - 7 GPa), der nicht mit einem strukturellen Phasenübergang verknüpft ist. Das Rätsel, daß ein metallischer Zustand in einer monoklinen Struktur auftritt, in der Ladungsordnung existiert, wurde mittels hochauflösender Neutronen-Diffraktometrie an LuNiO_3 gelöst: Die Analyse der (Ni-O) Bindungslänge der zwei NiO_6-Oktaeder (Ni1O_6 und Ni2O_6) zeigt, daß sich die Bindungslängen beider Oktaeder entlang der c-Achse unter Druck angleichen, was zu einem partiellen Schmelzen der Ladungsordnung führt und den IM-Übergang bewirkt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Hochdruckuntersuchungen der Verbindungsreihe La_{1-x}Sr_xCoO_3, die den Freiheitsgrad der Spin-Zustandsänderung von Co^3+ Ionen hat. Im Grundzustand liegt das undodierte System im Low-Spin (LS, S = 0) Zustand vor. Bei Dotierung mit Sr^2+ Ionen (x > 0.2) wird angenommen, daß das Einsetzen der metallischen Leitfähigkeit und ferromagnetischen Kopplung durch den Doppelaustausch zwischen Co^4+ (LS) und Co^3+ Intermediate-Spin (IS, S = 1) Ionen hervorgerufen wird. Bei der Hochdruckuntersuchung an einem metallischen, ferromagnetischen Einkristall La_{0.82}Sr_{0.18}CoO_3, wurde ein Übergang von einem leitenden in einen isolierenden Zustand sowie eine Reduzierung der magnetischen Ordnungstemperatur T_C mit zunehmenden Druck festgestellt, wobei die Kristallstruktur unverändert bleibt. Die Ergebnisse stehen im Gegensatz zu Beobachtungen an verwandten Übergangsmetalloxiden. Die Beobachtung des druckinduzierten isolierenden Zustands wird durch eine graduelle Änderung des Co^3+ Spin-Zustands von einem magnetischen IS- zu einem unmagnetischen LS-Zustand erklärt. Den mikroskopischen Beweis für einen druckinduzierten Spinübergang liefert die druckabhängige Untersuchung mittels Co K_beta Röntgenemission-Spektroskopie.German
      Creators:
      CreatorsEmail
      Lengsdorf, Roman G.lengsdorf@ph2.uni-koeln.de
      URN: urn:nbn:de:hbz:38-16238
      Subjects: Physics
      Uncontrolled Keywords:
      KeywordsLanguage
      Metall-Isolator Übergang , Ladungsordnung , Spin Zustand , Hochdruck , Nickelate KobaltateGerman
      metal insulator transition , charge disproportionation , charge order , spin state transition , high pressureEnglish
      Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
      Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > II. Physikalisches Institut
      Language: English
      Date: 2005
      Date Type: Completion
      Date of oral exam: 01 December 2005
      Full Text Status: Public
      Date Deposited: 07 Feb 2006 10:14:02
      Referee
      NameAcademic Title
      Abd-Elmeguid, MohsenProf. Dr.
      URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1623

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