In der vorliegenden Arbeit wurden Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) untersucht, die epitaktisch mittels gepulster Laserabscheidung auf texturierten metallischen Templaten abgeschieden wurden. Dabei kamen ionenstrahltexturiertes ABAD-YSZ-Band und walztexturiertes NiW-Band zum Einsatz. Für Anwendungen solcher sogenannten Bandleiter ist die Fähigkeit zum Transport möglichst hoher kritischer Ströme Ic essentiell. Dies kann durch das Wachstum möglichst dicker Schichten, eine Verbesserung der Flussschlauchverankerung (Pinning), sowie die Reduzierung der durch Korngrenzen verursachten Stromlimitierung erreicht werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden strukturelle und supraleitende Eigenschaften in bis zu 5 µm dicken YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ-Band untersucht. Dazu wurden neben nicht-fremdphasendotierten (undotierten) YBCO-Schichten auch BaHfO3- und BaY(NbTa)O6-dotierte YBCO-Schichten herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mittels Röntgenbeugungs-methoden (XRD), Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (REM, AFM), sowie resistiver und induktiver Methoden zur Bestimmung der Sprungtemperatur Tc und der kritischen Stromdichte Jc. Schichtdickenabhängige Messungen konnten u. a. zeigen, dass Ic in undotierten YBCO-Schichten bei einer Dicke oberhalb von 2,8 µm nicht weiter anstieg, während Ic in den dotierten Schichten bis zu einer Dicke von 5 µm nicht limitiert war. Darüber hinaus konnte in temperatur- und feldabhängigen Jc-Messungen ein verbessertes Pinningverhalten bei tiefen Temperaturen und in hohen äußeren Magnetfeldern gefunden werden. Mit Hilfe von transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen (TEM) und Messungen der Jc-Anisotropie wurde zusätzlich ein Strukturschema herausgearbeitet, das eine Verknüpfung von Herstellungsparametern, Mikrostruktur und Pinningeigenschaften ermöglicht. Der zweite Teil befasste sich mit der Analyse der Mikrostruktur und der lokalen Textur von undotierten YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ- und NiW-Band. Die lokale Textur wurde dabei mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) aufgelöst. Die Ergebnisse wurden mit orts-aufgelösten Magnetisierungsmessungen (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie) korreliert, mit denen der lokale Stromfluss untersucht werden kann. Auf beiden Templaten zeigte sich eine granulare Struktur, die durch gegeneinander verkippte bzw. verdrehte YBCO-Körner gekennzeichnet war. Während die granulare Struktur auf ABAD-YSZ-Band durch hauptsächlich in-plane missorientierte YBCO-Bereiche mit einem Durchmesser < 1 µm charakterisiert war, konnten auf NiW-Band hauptsächlich out-of-plane missorientierte Bereiche mit einer typischen Größe von 20-50 µm nachgewiesen werden. Auf NiW-Band hing die YBCO-Mikrostruktur und die Schärfe der lokalen Textur von der individuellen out-of-plane Missorientierung des darunter-liegenden NiW-Korns ab, was auf eine bereits im unbeschichteten NiW-Band vorhandene Facettierung zurückgeführt werden konnte. Zu deren Beschreibung wurde ein Facettenmodel entwickelt, das durch TEM-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Abschließend wurde auf einkristallinen Substraten und auf ABAD-YSZ-Band ein homogener Stromfluss nachgewiesen, während die supraleitenden Eigenschaften in YBCO-Schichten auf NiW-Band von der lokalen Mikrostruktur und Textur bestimmt wurden. Damit konnte gezeigt werden, dass die globalen Eigenschaften der Bandleiter vom Zusammenspiel eines über Korngrenzen miteinander verbundenen Ensembles von Körnern mit individuellen Eigenschaften bestimmt werden.

Charge excitations in different 3d transition metal compounds are studied. In particular, the influence of the lattice geometry on the character of these excitations is investigated. For this purpose, the momentum dependent loss function of electron energy-loss spectroscopy (EELS) as well as the optical conductivity are calculated and compared with the experimental data of NaV$_{2}$O$_{5}$, LiV$_{2}$O$_{5}$, Sr$_{2}$CuO$_{3}$, and CuGeO$_{3}$ . A quarter-filled extended Hubbard model on a system of coupled ladders provides a qualitative explanation for the highly anisotropic charge excitations of NaV$_{2}$O$_{5}$ and LiV$_{2}$O$_{5}$. These ladder compounds do not only differ from the charge ordering pattern but also from the coupling between different ladders: In LiV$_{2}$O$_{5}$ one finds a strong inter-ladder hopping which is very small in NaV$_{2}$O$_{5}$. On the other hand, in NaV$_{2}$O$_{5}$ the ladders are coupled by a strong inter-ladder Coulomb interaction. The charge excitations of quasi one-dimensional cuprates reflect both the properties of the CuO$_{4}$ plaquettes and the character of the coupling between different plaquettes. Independently from the geometry of the cuprat chains, the local excitation of the copper hole onto the adjacent oxygen orbitals is always found. Further transitions with an excitation energy below the local excitation of a single plaquette result from a hole transfer to another plaquette. These excitations with hole delocalization dominate the spectra of the corner-shared Sr$_{2}$CuO$_{3}$. In contrast to this, the hole transfer leads only to a pre-peak in the spectra of the edge-shared CuGeO$_{3}$. Furthermore, it is shown that the hole transfer is determined by the geometry of the edge-shared CO. / Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Analyse von Ladungsanregungen in verschiedenen niedrigdimensionalen 3d-Übergangsmetallverbindungen, wobei insbesondere der Einfluß der Gittergeometrie auf die Charakteristik der Anregungen untersucht wurde. Mit Hilfe des Lanczos-Algorithmus' wurden dazu sowohl die impulsabhängige Verlustfunktion der Elektron-Energie-Verlust-Spektroskopie (EELS) als auch die optische Leitfähigkeit für NaV$_{2}$O$_{5}$, LiV$_{2}$O$_{5}$, Sr$_{2}$CuO$_{3}$ und CuGeO$_{3}$ berechnet und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Unter der Verwendung eines Modells viertelgefüllter Leitern kann man die Ladungsanregungen sowohl für NaV$_{2}$O$_{5}$ als auch LiV$_{2}$O$_{5}$ sehr gut beschreiben. In diesen Materialien findet man nicht nur unterschiedliche Ladungsordnungen sondern vor allem auch verschiedene Kopplungsarten zwischen den Leitern. Während die Leitern im NaV$_{2}$O$_{5}$ durch die Coulomb-Wechselwirkung miteinander gekoppelt sind, existiert im LiV$_{2}$O$_{5}$ ein Austausch aufgrund einer starken Hybridisierung zwischen den Leitern. Die Ladungsanregungen von quasi eindimensionalen Kupratketten spiegeln sowohl die Plaketteneigenschaften als auch die Plakettenkopplung wider. Unabhängig von der Geometrie der Ketten findet man stets die lokale Anregung des Kupferloches auf die umliegenden Sauerstofforbitale. Aus einem möglichen Lochtransfer zu benachbarten Plaketten resultieren außerdem noch Anregungen, die energetisch unterhalb der Plakettenanregung liegen und unmittelbar von der Kettengeometrie abhängen. Während im eckenvernetzten Sr$_{2}$CuO$_{3}$ diese Anregungen die Spektren dominieren, spielt der Lochtransfer im kantenvernetzten CuGeO$_{3}$ nur eine untergeordnete Rolle.

Fundamental conservation laws predict a dissipationless transport behavior in one-dimensional S=1/2 spin chains. This truly ballistic heat transport suggests anomalously large life times and mean free paths of the elementary excitations of the spin chain, spinons. Despite this rigorous prediction, in any real system, the transport is dissipative, due to the interaction of spinons with defects and phonons. Nevertheless, a promising large magnetic thermal conductivity \\kappa_{mag} has been observed in a few copper-oxide systems. Characteristic for these cuprate systems is a large exchange interaction J along the spin chain. However, due to the limited number and knowledge of the systems showing a large \\kappa_{mag}, it has been difficult, to identify overarching trends. The goal of this thesis therefore is twofold. First, to test new compounds for the appearance of magnetic heat transport and second, to broaden the understanding of the known compounds by studying the influence of various kinds of impurities. In particular, three families of materials are studied. First, the thermal conductivity \\kappa(T) of the compounds TiOBr and TiOCl is investigated. Below room temperature the compounds undergo two phase transitions T_{c2} and T_{c1}. Above T_{c2} the compounds contain S=1/2 spin chains with J_{Cl}=676 K and J_{Br}=375 K respectively, formed by direct orbital overlap of the Ti-atoms. Below T_{c1} the chains dimerize to form a non-magnetic ground state. The thermal conductivity exhibits pronounced anomalies at T_{c2} and T_{c1} confirming the transitions being of second and first order respectively. Surprisingly, \\kappa(T) appears to be dominated by phonon heat conduction, since no indications of a significant magnetic contribution is found. This is in contrast to the expectation of a spin chain system. In this context possible scenarios to understand the unusual behavior of the thermal conductivity are discussed. Second, two related materials, the single chain Sr_{2}CuO_{3} and the double chain SrCuO_{2} are investigated. In high purity samples huge magnetic heat conductivities and concomitantly, extremely large spinon mean free paths of >0.5 µm for Sr_{2}CuO_{3} and >1 µm for SrCuO_{2} are observed. This demonstrates that \\kappa_{mag} is only limited by extrinsic scattering processes, which is a clear signature of ballistic transport in the underlying spin model. Additionally, various subtle modifications of the spin chain are studied. Due to the large mean free path a pristine picture of the intrinsic incidents is expected. In particular, a chemical pressure is applied to the spin chain by doping SrCuO_{2} with Ca. This has a surprisingly strong effect on \\kappa_{mag}. Furthermore, the influence of magnetic Ni and non-magnetic Mg doping is studied for SrCuO_{2}. While Ni-doping has a large impact on the magnetic thermal conductivity, Mg-doping shows no influence. In order to clarify this surprising behavior, \\kappa_{mag} is compared to measurements of the single chain compound Sr_{2}CuO_{3}. Third, the magnetic thermal conductivity of the spin chain material CaCu_{2}O_{3} doped with non-magnetic Zn impurities is studied. \\kappa_{mag} of the pure compound is linear up to room temperature, which is indicative of a T-independent scattering rate of the magnetic excitations. Both, magnitude and T-dependence of \\kappa_{mag} exhibit a very unusual doping dependence. At moderate Zn-doping the linear temperature dependence of \\kappa_{mag} is preserved and the absolute value of \\kappa_{mag} increases. A slight suppression of \\kappa_{mag} occurs only at high Zn doping, where, surprisingly, the T-dependence of \\kappa_{mag} changes from linearity to one with a higher power of T . In order to clarify this surprising behavior, the results are compared to a detailed study of the g-tensor of the impurities in the material by means of ESR experiments, which reveal a change of the impurity type with increasing Zn-content.

This experimental work focusses on the magnetic thermal conductivity, κ_mag, of the one-dimensional two-leg spin ladder system Sr_14Cu_24O_41 and the spin chain system SrCuO_2. These two S = 1/2 antiferromagnetic Heisenberg compounds possess enormous magnetic contributions to the heat transport which in some cases exceed the phonon contributions by more than one order of magnitude. Despite of intense ongoing experimental and theoretical investigations, the underlying mechanism of the magnetic heat transport remains unclear. The study of κ_mag aims a better understanding of the basic physics which determine mobility, scattering and dissipation of the dispersing magnetic excitations. The most important tool used in this study is to selectively influence the structure and the electronic and magnetic properties of the compounds through doping. For this purpose single crystalline samples were produced using the Traveling Solvent Floating Zone technique, a crucible-free technology, which allows the growth of centimeter sized single crystals of high quality. In particular, the successful growth of large quantities of the hole-free ladders La_4Sr_10Cu_24O_41 allowed the realization of inelastic neutron scattering and, for the first time, the acquisition of the complete magnetic excitation spectrum of the spin ladder, composed not only by the triplon band, but also by the two-triplon continuum, permitting an accurate determination of the coupling constants in this system. The importance of the cyclic-exchange, previously unclear, was asserted. In order to study the scattering mechanisms of the magnetic excitations (triplons) off static defects in the two-leg ladder Sr_14Cu_24O_41, this compound was doped with tiny amounts of Zn. Occupying the Cu site in the ladders, the Zn plays the role of a non-magnetic defect, imposing an upper limit to the mean free path of the triplons. The thermal conductivity of Sr_14Cu_(14−z)Zn_zO_41, with z = 0, 0.125, 0.25, 0.5 and 0.75, shows a strong decrease of both the phononic and magnetic contributions with increasing z value. In particular, the decrease of the magnetic part indicates an increased scattering of the triplons off Zn defects. The analysis of κ_mag, using a kinetic model, allows the extraction of the triplon mean free path l_mag. This quantity was successfully correlated to the mean Zn-Zn distance along the ladders, confirming the validity of the employed kinetic model and corroborating results of previous works. In SrCuO_2, the magnetic contribution to the thermal conductivity appears as a hump-like anomaly on the high-T back of the low-T phonon peak. In order to better separate the magnetic contribution from the phononic background, small amounts of Sr were substituted by the smaller and lighter Ca, leading, on the one hand, to an increased scattering of the phonons and consequently to a suppression of the phononic thermal conductivity. On the other hand, since Ca is isovalent to Sr, no significant changes of the magnetic properties of the system are expected: a magnetic peak belonging to κ_mag should appear. Measurements of the thermal conductivity of Sr_(1−x)Ca_xCuO_2 for x = 0, 0.0125, 0.025, 0.05 and 0.1 show indeed a systematic decrease of the phonon thermal conductivity with increasing x. However, against initial expectations, no magnetic peak appears. Instead, the magnetic thermal conductivity decreases at intermediate and low temperatures with increasing doping level, indicating a strong influence of the Ca dopant on the magnetic system. Surprisingly, no changes of κ_mag occur at higher temperatures, where κ_mag remains constant for all doping levels. To explain this intriguing temperature and doping dependence of κ_mag, three scenarios are proposed. One of the scenarios is based on the phenomenon of mutual spinon and phonon heat transport, the so called spin-phonon-drag mechanism. Another scenario assumes an effective scattering of spinons off Ca defects. In a third scenario, the appearance of a gap in the doped compounds is considered. The obvious effect of the Ca dopant on the magnetic thermal conductivity motivated a more detailed investigation of the doping dependence of electronic and magnetic properties in Sr_(1−x)Ca_xCuO_2. NMR data reveal the presence of a magnetic gap for the x = 0.1 compound. The doping dependent evolution of the specific heat at low-T is consistent with this result. Furthermore, susceptibility data may be explained within a segmentation of the spin chains, which in turn can be also related to the opening of a gap. These results strongly support that the reduction of κ_mag in the Ca doped compounds is related to a smaller number of magnetic excitations participating in the heat transport due to the presence of the gap. A possible reduction of the chain length, as suggested by the susceptibility data, is also consistent with the scenario of a reduced κ_mag due to an increased scattering of magnetic excitations. In spite of these partially consistent results, there are still no clear-cut explanations for the evolution of κ_mag upon doping. In particular, it cannot be completely ruled out that a fraction of the Ca dopant goes into the chains, a point which has to be urgently clarified in order to allow a correct interpretation of the data.

In dieser Doktorarbeit wird der Hochtemperatur-Supraleiter Bi-2212 auf seine elektronische Struktur hin untersucht. Für diesen Zweck wurden Röntgen- Absorptionsspektroskopie (XAS) und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) verwendet. Zusätzlich wurden mittels Dichtefunktionaltheorie theoretische Trends in der elektronischen Struktur aufgezeigt. Zu Beginn wurde die Temperaturabhängigkeit der Löcher-Konzentration (nH) von nahezu optimal dotierten und geringfügig unterdotierten Einkristallen mittels XAS untersucht. Die Messungen der Temperaturabhängigkeit von nH mit XAS zeigen ein komplett anderes Verhalten als das, welches aus dem Hall-Effekt hergeleitet wurde. Hinzu kommt, dass es unmöglich ist, die Formel von Gor''kov und Teitel''baum, d.h. mit einem konstanten und einem Aktivierungsterm, an die Daten anzupassen. Als Lösungsansatz kommen Magnonen in Frage. Zusätzlich wurde die Polarisationsabhängigkeit der Löcher- Konzentration mittels XAS gemessen, die zeigt, dass in den Kupferoxidschichten die Löcher offenbar offenbar inhomogen verteilt sind. Solch ein Verhalten wird für die isotrope Struktur der Bi-2212-Kristalle nicht erwartet und kann nur schwer erklärt werden. Möglicherweise sind die, die Symmetrie brechenden magnetischen Eigenschaften wie magnetische Streifen die Antwort. Um zusätzliche experimentelle Informationen zu erhalten, wurde darüber hinaus noch die Temperatur- und Polarisationsabhängigkeit der Bi-2212-Einkristalle mittels ARPES studiert. Insbesondere die ''Peak-Dip-Hump''-Emissionsstruktur an der Fermi-Energie wurde gemesssen, die sich am M-Punkt der Brillouin-Zone befindet. Die Ergebnisse zeigen, dass der scharfe Peak nahe der Fermi-Kante eine deutliche Polarisations- und Temperaturabhängigkeit aufweist, welche bei der Pseudolücken-Temperatur T* und nicht bei der Sprungtemperatur TC verschwindet. Die Polarisationsabhängigkeit an den vier M-Punkten der Brillouin-Zone hat gezeigt, dass eine Symmetrieachse im 45°-Winkel zur Cu-O-Cu-Richtung existiert. Dies könnte ebenfalls mit magnetischer Streifenbildung erklärt werden. Des Weiteren wurde das beobachtete Versagen der Dipol-Näherung zur Beschreibung der Spektren bei einer Polarisation senkrecht zur Spiegelebene erörtert. Andererseits ist die Berechnung von Materieleigenschaften mittels der Dichtefunktionaltheorie ein sehr aktiver Bereich der Festkörperphysik geworden. Nachdem meine DFT-Rechnungen auf der Basis des MBJ-Potentials sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen des ternären Halbleiters ZrSexS2-x und die LiZrSexS2-x –Verbindung erzielt haben, habe ich diese auch zur Unterstützung der experimentellen Supraleiterdaten angewendet. Die elektronischen Eigenschaften von CaCuO2 und des Bi-2212-Kuprats wurden mittels DFT auf der Basis von GGA und GGA+U berechnet, wobei der Hubbard-U-Term mit einer „abinitio“-Methode berechnet wurde. Die Ergebnisse ergaben, dass nur Rechnungen auf der Basis von MBJ+U einen antiferromagnetischen Grundzustand für die CaCuO2- Verbindung lieferten, während alle Funktionale versagten, den antiferromagnetischen Grundzustand für das Bi-2212-Kuprat zu finden. / In this PhD work the electronic structure of high-TC Bi-2212 cuprates is investigated. For this purpose x-ray absorption spectroscopy (XAS) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) are used. Additionally, density functional theory is applied for making theoretical trends of the electronic structure evident. At first, the temperature dependence of the hole density (nH) by XAS on nearly optimum and slightly underdoped single crystals is studied. The measurements of the temperature dependence of nH by XAS show completely different behavior as that derived from Hall effect. Moreover, fitting our data by the Gor’kov and Teitel’baum formula, i.e. assuming a constant term and an activation term, was impossible. For solving the problem a contribution of magnons is suggested. Additionally, the polarization dependence of the hole density has been measured by XAS showing that an inhomogeneity of holes in the copper oxide planes may exist. Such a behavior is not expected for the isotropic structure of the Bi(Pb)-2212 crystals and was only hardly to be explained. Possibly, magnetic symmetry breaking properties like e.g. magnetic stripes might give an answer. In order to derive additional experimental information, the temperature and polarization dependence of the electronic structure of the CuO2 planes of Bi(Pb)-2212 single crystals has been studied by ARPES. In particular, the so-called peak-dip-hump emission structure close to the Fermi energy has been measured, which is located at the M point of the Brillouin zone. The results show that the sharp emission structure close to the Fermi edge reveals a distinct polarization dependence and it vanishes at the pseudogap temperature T* and not at the critical temperature TC. The polarization dependence at the four M points of the Brillouin zone has revealed that there exists a symmetry line along to 45?? from the Cu-O-Cu direction. This could also be due to stripe formation. Additionally, the observed failure of the dipole approximation to describe the spectra at normal polarization with respect to the mirror plane is discussed. On the other hand, the calculation of material properties by density functional theory has become a very active area of research in condensed matter physics. Therefore, after my calculations based on DFT by the MBJ potential have revealed good agreement with experimental data for the ternary semiconductors ZrSexS2-x and the LiZrSexS2-x compound I applied it for a support of the experimental superconductor data. The electronic properties of CaCuO2 and the Bi-2212 cuprate have been calculated by DFT based on GGA and GGA+U where the Hubbard U term has been calculated by an ab initio method. The results reveal that only calculations based on MBJ+U lead to an anti-ferromagnetic ground state for the CaCuO2 compound while all functionals fail to find an antiferromagnetic ground state for Bi-2212.

This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.

In the first two chapters we presented the basics of density functional theory and semiempirical LSD+U approximation, which was implemented in the full-potential local-orbital (FPLO) minimal-basis calculation scheme. In the third chapter we tested the implemented version of LSDA+U on 3d transitional metal monoxides. Essential improvement of the spectroscopic properties was obtained. A simple model describing the value and direction of the magnetic moment of a transition metal ion was presented. The model visualizes the interplay of the spin-orbit coupling and crystal field splitting. In the fourth chapter we calculated the electronic spectrum of the single Zn impurity in CuO2 plane considered as a vacancy in Cu 3d states. The analytic solution for the states of different symmetry was obtained. Depending on the strength of perturbation induced by the impurity on the neighboring Cu ions, the states are either resonant or localized. The critical values of the perturbation were computed. In the fifth chapter we presented the calculations for three novel vanadates: MgVO3, Sb2O2VO3 and VOMoO4. The tight-binding parameters and the exchange integrals were computed. The magnesium and antimony vanadates appeared to be spin-½ one-dimensional systems, the latter having much stronger one-dimensional character and being probably the best realization of inorganic spin-Peierls system. The molybdenum vanadate was found to be two-dimensional spin-½ system. The Mo 4d orbitals play an important role in the electronic transfer.

In der vorliegenden Arbeit wurden Schichten des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-δ (YBCO) untersucht, die epitaktisch mittels gepulster Laserabscheidung auf texturierten metallischen Templaten abgeschieden wurden. Dabei kamen ionenstrahltexturiertes ABAD-YSZ-Band und walztexturiertes NiW-Band zum Einsatz. Für Anwendungen solcher sogenannten Bandleiter ist die Fähigkeit zum Transport möglichst hoher kritischer Ströme Ic essentiell. Dies kann durch das Wachstum möglichst dicker Schichten, eine Verbesserung der Flussschlauchverankerung (Pinning), sowie die Reduzierung der durch Korngrenzen verursachten Stromlimitierung erreicht werden. Im ersten Teil der Arbeit wurden strukturelle und supraleitende Eigenschaften in bis zu 5 µm dicken YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ-Band untersucht. Dazu wurden neben nicht-fremdphasendotierten (undotierten) YBCO-Schichten auch BaHfO3- und BaY(NbTa)O6-dotierte YBCO-Schichten herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mittels Röntgenbeugungs-methoden (XRD), Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie (REM, AFM), sowie resistiver und induktiver Methoden zur Bestimmung der Sprungtemperatur Tc und der kritischen Stromdichte Jc. Schichtdickenabhängige Messungen konnten u. a. zeigen, dass Ic in undotierten YBCO-Schichten bei einer Dicke oberhalb von 2,8 µm nicht weiter anstieg, während Ic in den dotierten Schichten bis zu einer Dicke von 5 µm nicht limitiert war. Darüber hinaus konnte in temperatur- und feldabhängigen Jc-Messungen ein verbessertes Pinningverhalten bei tiefen Temperaturen und in hohen äußeren Magnetfeldern gefunden werden. Mit Hilfe von transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen (TEM) und Messungen der Jc-Anisotropie wurde zusätzlich ein Strukturschema herausgearbeitet, das eine Verknüpfung von Herstellungsparametern, Mikrostruktur und Pinningeigenschaften ermöglicht. Der zweite Teil befasste sich mit der Analyse der Mikrostruktur und der lokalen Textur von undotierten YBCO-Schichten auf ABAD-YSZ- und NiW-Band. Die lokale Textur wurde dabei mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD) aufgelöst. Die Ergebnisse wurden mit orts-aufgelösten Magnetisierungsmessungen (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie) korreliert, mit denen der lokale Stromfluss untersucht werden kann. Auf beiden Templaten zeigte sich eine granulare Struktur, die durch gegeneinander verkippte bzw. verdrehte YBCO-Körner gekennzeichnet war. Während die granulare Struktur auf ABAD-YSZ-Band durch hauptsächlich in-plane missorientierte YBCO-Bereiche mit einem Durchmesser < 1 µm charakterisiert war, konnten auf NiW-Band hauptsächlich out-of-plane missorientierte Bereiche mit einer typischen Größe von 20-50 µm nachgewiesen werden. Auf NiW-Band hing die YBCO-Mikrostruktur und die Schärfe der lokalen Textur von der individuellen out-of-plane Missorientierung des darunter-liegenden NiW-Korns ab, was auf eine bereits im unbeschichteten NiW-Band vorhandene Facettierung zurückgeführt werden konnte. Zu deren Beschreibung wurde ein Facettenmodel entwickelt, das durch TEM-Untersuchungen bestätigt werden konnte. Abschließend wurde auf einkristallinen Substraten und auf ABAD-YSZ-Band ein homogener Stromfluss nachgewiesen, während die supraleitenden Eigenschaften in YBCO-Schichten auf NiW-Band von der lokalen Mikrostruktur und Textur bestimmt wurden. Damit konnte gezeigt werden, dass die globalen Eigenschaften der Bandleiter vom Zusammenspiel eines über Korngrenzen miteinander verbundenen Ensembles von Körnern mit individuellen Eigenschaften bestimmt werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Elektronenenergieverlustspektroskopie an unterdotierten Kupratsupraleitern und Übergangsmetalldichalcogeniden. Nach einem kurzen Abriss über die der experimentellen Methode zugrundeliegenden theoretischen Tatsachen folgen zwei experimentelle Kapitel. Für das prototypische Kupratsystem Ca2-xNaxCuO2Cl2 wird für verschiedene Dotierungskonzentrationen zunächst die Entwicklung der Ladungstransferanregungen untersucht. Man findet eine substanzielle Umverteilung des spektralen Gewichtes, verbunden mit einem starken Einbruch der Dispersion dieser Anregungen. Beides wird im Rahmen der Wechselwirkung mit Spinfreiheitsgraden innerhalb der Kupfer-Sauerstoff-Ebene diskutiert. Anschliessend erfolgt die Diskussion einer ausschließlich für zehnprozentige Dotierung auftretenden Symmetriebrechung der optischen Antwortfunktion, für die verschiedene mögliche Szenarien vorgeschlagen werden. Im Kapitel über die Dichalcogenide liegt der Fokus auf dem Verhalten des Ladungsträgerplasmons, das für alle Substanzen dieser Gruppe mit Ladungsordnung eine negative Dispersion aufweist. Dieses Verhalten läßt sich durch in-situ Interkalation zusätzlicher Ladungstraeger umkehren, so dass man eine dotierungsabhängige Plasmonendispersion erhält. Es werden verschiedene Szenarien für dieses Verhalten diskutiert. / The present thesis describes electron energy-loss spectroscopy on underdoped cuprate superconductors and transition-metal dichalcogenides. After a brief introduction into the experimental method there are two experimental chapters. For the prototype cuprate system Ca2-xNaxCuO2Cl2 the behavior of the charge-transfer excitations is investigated as a function of doping. The observed substantial redistribution of spectral weight and the accompanying breakdown of their dispersion is discussed in terms of a coupling to the spin degrees of freedom within the copper-oxygen plane. For x=0.1 there is a pronounced symmetry breaking in the optical response function which is discussed in terms of different possible scenarios. The chapter on the dichalcogenides focuses on the properties of the charge-carrier plasmon which shows a negative dispersion for all representatives of this family exhibiting a charge-density wave instability. This behavior can be influenced by in-situ intercalation of additional charges, the result being a doping dependent plasmon dispersion. Several approaches to reconcile these findings are considered.

This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.