Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Züchtung und Untersuchung von dünnen Kompositschichten aus BaTiO3 und BiFeO3 sowie Sr2FeMoO6-Dünnschichten. Diese Materialien haben gemeinsam, dass sie Bausteine in neuartigen elektronischen Bauelemente z. B. in Computerspeicher-Modulen werden könnten. BiFeO3 ist ein magnetoelektrisches Multiferroikum bei Raumtemperatur, was bedeutet, dass es sowohl eine spontane magnetische als auch eine spontane ferroelektrische Ordnung besitzt. Zusätzlich sind diese aneinander gekoppelt (magnetoelektrisch). Das macht BiFeO3 zu einem sehr begehrten Forschungsobjekt. Da die magnetoelektrische Kopplung im BiFeO3 zu schwach ist, um anwendungsrelevant zu sein, werden im Rahmen dieser Arbeit Kompositmaterialien unter Zuhilfenahme des Ferroelektrikums BaTiO3 hergestellt und untersucht, mit welchen eine Steigerung der magnetoelektrischen opplungskonstante von 4,2 V/cmOe auf über 35 V/cmOe bei Raumtemperatur erreicht wird. Zudem wird das entdeckte Sauerstoffvakanz-Übergitter untersucht und die daraus erwachsende elektrische Polarisation beschrieben. Im zweiten Teil der Arbeit wird zunächst die Herrstellung von Sr2FeMoO6 per gepulster Laserplasmaabscheidung als Dünnfilm beschrieben und die Untersuchung des magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstandes gezeigt. Dies geschieht in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Temperatur und Substratmaterial. Als Untersuchungsmethodenkommen unter anderem Raster- und Tunnelelektronenmikroskopie sowie Rasterkraftmikroskopie, Rutherford- ückstreuung und Röntgediffraktometrie für strukturelle Charakterisierungen und Strom-, Magnetisierungsund temperatur- und magnetfeldabhängige Spannungsmessungen für die elektrische und magnetische Charakterisierung der Dünnschichten zum Einsatz. Nach einer Einleitung mit der Motivation der Arbeit werden im zweiten Kapitel die teilweise übergreifenden experimentellen Methoden inklusive der Probenherstellung beschrieben. Das dritte und vierte Kapitel beinhaltet jeweils einen Überblick über den Stand der Forschung zu den einzelnen Materialien und die experimentellen Ergebnisse samt Diskussion. Das darauf folgende Kapitel liefert die Zusammenfassung und einen Ausblick.

A particularly interesting class of modern materials is ferroic ceramics. Their characteristic order parameter is a result of quantum chemistry taking place on a sub-Å length scale and long-range couplings, e.g. mediated by electrostatic or stress fields. Furthermore, the particular subclass of multiferroics possesses more than one order parameter and exhibits an intriguing coupling between them, which is interesting both from the fundamental physics point of view as well as from a technological vantage point. While on a more fundamental level it is desirable to elucidate the physical details of the coupling mechanism, this knowledge could subsequently lead to new and technologically interesting multiferroic materials, which overcome their current drawback that only one of the multiple order parameters is appreciably large while the others stay small. Due to the short and long range nature of the driving forces, one challenge for thoroughly understanding ferroic ceramics is the characterization of material properties within a large interval of length scales from several tens of µm to sub-Å. To that end, it is useful to exploit that all order parameters can be described as macroscopic fields, e.g. electric polarization or strain, which, in turn, can be either directly or indirectly probed with an electron beam such as used in Transmission Electron Microscopy (TEM). Consequently, TEM is excellently suited for investigating ferroic materials, i.e., state-of-the-art instruments facilitate aberration corrected imaging within a large magnification interval covering the length scales of interest, in particular the atomic regime. A general drawback of conventional TEM techniques is the loss of phase information originally contained in the scattered electron wave introduced by recording only the electron density. Electron Holography is an advanced TEM technique that facilitates the complete evaluation of the complex electron wave, which, in combination with the manifold possibilities of TEM, provides rather straightforward access to static electromagnetic fields within the ceramic. Nevertheless, quantification of order parameters such as the electric polarization or minute details in electromagnetic fields still require to correlate the experimentally gained observations to physical models, which combine the details of the microscopic imaging process, the electron-specimen scattering, and solid state physics of the specimen. The goal of this work is to investigate and advance the limits of Electron Holography as a truly quantitative TEM technique and apply the findings in, e.g., the investigation of ferroic ceramics. In the light of the previously mentioned difficulties, the problem has to be tackled from different directions: Firstly, the whole holographic imaging process is reviewed and extended, if necessary, in order to provide quantitative measures for systematic and statistical errors inherent to reconstructed waves. In the course of that process, two previously not recognized holography-specific aberrations are identified, firstly, a resolution limiting spatial envelope and secondly, a spatial distortion to the reconstructed wave. Furthermore, several correction strategies have been developed, in order to correct the aforementioned two and other well-known disturbances, e.g. Fresnel fringes from the biprism filament. The previous holographic noise model has been extended to incorporate the important contribution from the detector and consequently to provide realistic statistic error bars of the holographically reconstructed amplitude and phase. Secondly, an investigation of the electron-specimen scattering process itself is conducted, leading to a density matrix description of the holographic measurement. The general laws of quantum electrodynamics provide the framework of that description. Relativistic phenomena such as retardation of electromagnetic fields exchanged between beam electron and specimen and spin-orbit coupling of the beam electron are quantified, where the latter is found to be negligible within TEM. The decoherence of the electron wave by statistical coupling to the thermally moving crystal lattice of ceramics is treated by a newly developed algorithm facilitating in particular the accurate quantification of elastic scattering on heavy elements. Inelastic excitations in the ceramic, e.g. bulk plasmons or core electrons, are treated in combination with elastic scattering to identify their role in the holographic reconstruction process and to develop methods for an accurate calculation. A new scattering algorithm combining elastic and inelastic scattering is developed and applied to predict peculiar scattering contrasts of dipole transitions and to discuss the long-standing problem of contrast mismatch between scattering simulations and conventional imaging. To provide a user-friendly and continuing use of the findings, a software package SEMI (Simulation of Electron Microscopy Imaging) has been written, which facilitates the simulation of elastic and inelastic scattering processes and the subsequent imaging within different approximations, incorporating the newly developed algorithms. Thirdly, Density Function Theory (DFT) solid state calculations have been employed to identify and quantify structural modifications and characteristic electromagnetic fields, such as occurring at domain boundaries, within typical ferroic ceramics like BaTiO3 or BiFeO3, and concomitantly provide models correlating observables of the (holographic) experiment to characteristics of the materials, e.g. the order parameters. This is particularly important when static electromagnetic fields provide no direct information about the order parameter, e.g. the electric polarization, i.e., it is possible to correlate the measurable atomic positions to the electric polarization within linear response theory. A software package ATA (AuTomated Atomic contrast fitting) has been developed facilitating an automated fitting of atomic positions and a subsequent determination of local polarization. In a fourth step, electron holographic experiments analyzed with the help of the revised imaging process in combination with the knowledge gained from scattering theory are used as an input to the models established from solid state physics to yield quantitative information about bulk ferroelectric materials such as BaTiO3 and PbTiO3 and more complicated configurations such as domain walls in BiFeO3 and KnbO3. It is found that particular atomic shifts characteristic for ferroelectrics provide the most reliable quantitative information about the polarization down to nm length scales, whereas minute wave modification due to characteristic electron distributions within the ceramic are currently insufficiently quantitatively interpretable within Electron Holography. The linear response program, correlating atomic positions to ferroelectric polarization with the help of ab-initio calculated Born effective charges, has been successfully applied to determine finite size effects, screening layer widths and polarization charges in non-ferroelectric/ferroelectric layered systems. Finally, a special section considers the evaluation of 3D electromagnetic fields by Electron Holographic Tomography, which provides the means to characterize even more complex 3D domain wall configurations. As the capabilities of the technique are still limited by holographic reconstruction errors and particular tomographic issues such as incomplete projection data, the main focus of that section is put on the characterization and improvement of the tomographic reconstruction process. A Singular Value based reconstruction method is developed, which facilitates a quantification and control of the tomographic reconstruction error. Furthermore, vector field reconstruction is extended in order to treat magnetic vector fields leaking out from the reconstruction volume. / Ferroische Keramiken bilden eine besonders interessante Klasse moderner funktionaler Werkstoffe. Ihr charakteristischer Ordnungsparameter ist das Ergebnis quantenchemischer Prozesse innerhalb einer sub- Å Längenskala und spezifischer langreichweitiger Kopplungen, welche beispielsweise durch elektromagnetische oder Spannungsfelder vermittelt werden. Des Weiteren besitzt die besondere Unterklasse der Multiferroika mehr als einen Ordnungsparameter und zeigt eine faszinierende Kopplung zwischen ihnen, was sowohl vom Standpunkt physikalischer Grundlagenforschung als auch aus technologischer Sicht von Interesse ist. Während es vom fundamentalen Standpunkt erstrebenswert ist, die physikalischen Details des Kopplungsmechanismus aufzuklären, könnte in der Folge dieses Wissen zu neuen und technologisch interessanten multiferroischen Materialien führen, welche den derzeit bestehenden Nachteil, dass nur ein Ordnungsparameter genügend groß ist, während die jeweils anderen klein bleiben, hinter sich lassen. Aufgrund der kurz- und langreichweitigen Natur der Antriebskräfte besteht eine Herausforderung für das umfassende Verständnis ferroischer Keramiken aus der Charakterisierung von Materialeigenschaften innerhalb eines breiten Intervalls von Längenskalen, welches von einigen 10 µm bis unterhalb eines Å reicht. Um dieses Ziel zu erreichen ist es zweckmäßig auszunutzen, dass alle Ordnungsparameter als makroskopische, beispielsweise elektrostatische oder Verzerrungs-, Felder beschrieben werden können, welche wiederum direkt oder indirekt mit einem Elektronenstrahl, wie er im Transmissionselektronenmikrokop (TEM) zur Anwendung kommt, gemessen werden können. Folglich ist die Transmissionselektronenmikroskopie hervorragend geeignet um ferroische Materialien zu untersuchen, das heißt, modernste Geräte ermöglichen aberrationskorrigierte Aufnahmen innerhalb eines großen Vergrößerungsbereiches, welche die interessanten Längenskalen und insbesondere den atomaren Bereich abdecken. Ein allgemeiner Nachteil der konventionellen TEM Techniken ist der Verlust der Phaseninformationen, welche ursprünglich in der Elektronenwelle vorhanden sind und durch die Aufzeichnung der Elektronenintensität zerstört werden. Elektronenholographie ist eine weiterentwickelte TEM Technik, welche die vollständige Auswertung der komplexen Elektronenwelle ermöglicht, was wiederum in Verbindung mit den vielfältigen Möglichkeiten der TEM einen vergleichsweise direkten Zugang zu elektromagnetischen Feldern in der Keramik ermöglicht. Nichtsdestotrotz erfordert die Quantifizierung von Ordnungsparametern, wie der elektrische Polarisierung, oder von kleinsten Details elektromagnetischer Felder die Korrelation experimenteller Daten mit physikalischen Modellen, welche die Details des mikroskopischen Bildgebungsprozesses mit der Elektronen-Objekt Streuung und der Festkörperphysik des Objektes kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht aus der Untersuchung und Erweiterung der Möglichkeiten von Elektronenholographie als quantitative TEM Messmethode und der Anwendung dieser Ergebnisse bei der Untersuchung ferroischer Keramiken. Im Lichte der eben erwähnten Schwierigkeiten muss das Problem von verschiedenen Richtungen bearbeitet werden: Erstens wird der komplette holographische Bildgebungsprozess mit dem Ziel einer quantitativen Bewertung systematischer und statistischer Fehler der rekonstruierten Welle analysiert und gegebenenfalls erweitert. Im diesem Zuge wurden zwei bisher nicht erkannte holographiespezifische Fehler identifiziert, erstens eine auflösungsbegrenzende räumliche Enveloppe und zweitens eine räumliche Verzerrung der rekonstruierten Welle. Außerdem wurden verschiedene Korrekturmöglichkeiten entwickelt, um die zwei eben genannten und andere wohlbekannte Störungen, wie zum Beispiel die Fresnelstreifen des Biprismafadens, zu korrigieren. Das bisherige holographische Rauschmodel wurde erweitert um den beträchtlichen Einfluss des Detektors zu berücksichtigen und damit realistische Fehlerbalken für die holographisch rekonstruierte Amplitude und Phase zu erhalten. Zum Zweiten wird der Streuprozess selber untersucht, was zu einer Dichtematrixbeschreibung der holographischen Messung führt. Den Rahmen dieser Untersuchungen liefern die Gesetze der Quantenelektrodynamik. Relativistische Phänomene wie die Retardierung elektromagnetischer Felder, welche zwischen Strahlelektron und Objekt ausgetauscht werden, oder Spin-Bahn Kopplung des Strahlelektrons werden quantifiziert, wobei letzteres als unwichtig für TEM eingestuft werden konnte. Die Dekohärenz der Elektronenwelle durch die statistische Kopplung an das thermisch bewegte Kristallgitter der Keramik wird mit einem neu entwickelten Algorithmus beschrieben, welcher insbesondere die genaue Quantifizierung der elastischen Streuung an schweren Elementen erlaubt. Ein weiterer neuer Streualgorithmus, welcher elastische und inelastische Streuung kombiniert, wird entwickelt und angewendet, um spezifische Streukontraste von Dipolübergängen vorauszusagen und das altbekannte Problem der Kontrastdiskrepanz zwischen simulierten und experimentellen Bildkontrasten zu diskutieren. Um eine anwenderfreundliche und fortdauernde Anwendung der Erkenntnisse zu ermöglichen, wurde das Softwarepaket SEMI geschrieben, welches die Simulation elastischer und inelastischer Streuprozesse und des nachfolgenden Bildgebungsprozesses innerhalb verschiedener Näherungen ermöglicht und die neu entwickelten Algorithmen beinhaltet. Zum Dritten kommen dichtefunktionalbasierte Festkörperrechenmethoden zur Anwendung um charakteristische elektromagnetische Felder, wie sie beispielsweise an Domänengrenzen entstehen, innerhalb typischer ferroischer Keramiken wie BaTiO3 oder BiFeO3 zu identifizieren und zu quantifizieren und gleichzeitig Modelle zu entwickeln, welche Observablen des (holographischen) Experiments mit Charakteristika des Materials, beispielsweise den Ordnungsparamtern, korrelieren. Dies ist besonders wichtig, wenn statische elektromagnetische Felder keinen direkten Zugang zu den Ordnungsparametern, wie zum Beispiel die ferroelektrische Polarisation, liefern; beispielsweise besteht innerhalb linearer Antworttheorie die Möglichkeit, atomare Positionen mit der elektrischen Polarisation zu korrelieren. Ein Softwarepaket wurde entwickelt, welches die automatische Bestimmung der Atompositionen und der daraus resultierenden lokalen Polarisation ermöglicht. In einem vierten Schritt wurden mit Hilfe des überarbeiteten holographischen Bildgebungsprozesses in Kombination mit den aus der Streutheorie gewonnenen Erkenntnissen holographische Experimente analysiert und als Input für die mit Hilfe der Festkörpertheorie entwickelten Modelle genutzt, um quantitative Informationen über raumferroische Materialien wie BaTiO3 und PbTiO3 und kompliziertere Anordnungen wie Domänengrenzen in BiFeO3 und KnbO3 zu gewinnen. Es konnte festgestellt werden, dass spezifische atomare Verschiebungen, welche charakteristisch für Ferroelektrika sind, die zuverlässigste quantitative Information über die Polarisation bis in den Längenbereich einiger nm liefern, wogegen kleinste Wellenmodifikationen aufgrund charakteristischer Elektronenverteilungen innerhalb der Keramik mit Hilfe von Elektronenholographie nur unzureichend interpretierbar sind. Das lineare Antwortprogramm, welches die Atompositionen über Bornsche effektive Ladungen mit ferroelektrischer Polarisation korreliert, wurde erfolgreich angewendet, um Größeneffekte und Ausdehnungen von Abschirmschichten und Polarisationladungen in nichtferroelektrisch/ferroelektrischen Schichtsystemen zu bestimmen. Abschließend widmet sich ein spezieller Abschnitt der Auswertung 3D elektromagnetischer Felder mit Hilfe der elektronenholographischen Tomographie, was die Voraussetzung für die Charakterisierung von noch komplizierteren 3D Domänenwandanordnungen liefert. Da die Möglichkeiten dieser Technik durch den holographischen Rekonstruktionsfehler und spezifisch tomographische Probleme noch beschränkt sind, liegt der Schwerpunkt dieses Abschnitts in der Charakterisierung und Verbesserung des tomographischen Rekonstruktionsprozesses. Es wird eine singulärwertbasierte Rekonstruktionsmethode entwickelt, welche die Quantifizierung und Kontrolle des Rekonstruktionsfehlers ermöglicht. Außerdem wird die Vektorfeldrekonstruktion erweitert, um magnetische Vektorfelder, welche über das Rekonstruktionsvolumen hinausragen, zu behandeln.

Title: Microstructure and properties of multiferroic complex oxide thin films prepared by pulsed laser deposition method Author: Petr Machovec Department: Department of Condensed Matter Physics Supervisor: RNDr. Milan Dopita, Ph.D., Department of Condensed Matter Physics Abstract: In the frame of this thesis, structure, microstructure, and real structure of multiferroic epitaxial layers of LuFeO3 were studied by means of X-ray reflectivity and X-ray diffraction. In theoretical part the theory of X-ray scattering on crystalline layers is described. Standard description of X-ray reflectivity on series of rough layers is presented. Moreover, a model of X-ray scattering on mosaic layer is described. For experimental part of the work three samples were prepared by pulsed laser deposition method. First sample on sapphire substrate (Al2O3), second on platinum layer deposited on sapphire substrate and third on yttrium stabilized zirconia substrate. From the X-ray reflectivity curves the parameters such as layer thickness, interface roughness, surface roughness and material density, were determined. By analysing measured reciprocal space maps, lattice parameters and mosaic model parameters, such as mean mosaic block size, mosaic block size distribution, mosaic block misorientation and residual microstrain, were...

Es werden die Verbindungen YMn2O5 und YFeMnO5 diskutiert. Die erstere zeigt unterhalb von TN = 45 K Ferromagnetismus und in der magnetischen Phase schwache Ferroelektrizität. Die elektrische Polarisation wird mit Symmetriebrechung durch die Spinstruktur erklärt, die zur Aufhebung der Inversionssymmetrie führt (sog. unechtes Ferroelektrikum). Isostrukturelle Ersetzung von Mn durch Fe führt zu YFeMnO5, einer Verbindung, die bei T<165 K ferrimagnetisch, jedoch nicht ferroelektrisch ist. Die Spin-Strukturen beider Verbindungen sind bereits eingehend untersucht und zeigen charakteristische Unterschiede. Für Verbindungen der Zusammensetzung YFe(x)Mn(2-x)O5 wurden Röntgenbeugungs-und Absorptionsfeinstruktur-Experimente zur Bestimmung der Kristallstrukur in Abhängigkeit vom Fe-Anteil x durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, daß die Strukturparameter einen nahezu linearen Verlauf zwischen den aus der Literatur bekannten Grenzfällen YFeMnO5 und YMn2O5 nehmen. Fe ersetzt dabei das Mn auf der fünffach koordinierten Lage innerhalb einer Sauerstoff-Pyramide. Besonders markant ist die unterschiedliche Position von Mn bzw. Fe in dieser Umgebung. Mit Hilfe der Strukturdaten wurden kollineare DFT-Rechnungen im LSDA+U-Formalismus in skalar-relativistischer Näherung durchgeführt. Für YFeMnO5 konnte der experimentell bekannte Grundzustand im Rahmen der Näherung reproduziert werden, obgleich eine Bandlücke nur in Abhängigkeit von der U-Korrektur auftritt. Der berechnete Grundzustand von YMn2O5 gibt die komplizierte magnetische Struktur dieser Verbindung nicht wieder, weil die gewählte Elementarzelle des Gitters dafür zu klein ist. Statt dessen ist der berechnete Grundzustand hier sehr ähnlich zu dem von YFeMnO5. Eine ausführliche Untersuchung der projizierten Zustandsdichten der Metallatome ermöglicht die Diskussion der Kristallfeldaufspaltung im Zusammenhang mit deren Position innerhalb der Sauerstoffpolyeder. Durch Berechnung mehrerer Spinstrukturen in einer kristallographischen Elementarzelle mit erniedrigter Symmetrie konnten die Austauschparameter eines Heisenberg-Modells zwischen den lokalisierten Spins der Metallatome berechnet werden. Die Größenverhältisse dieser Parameter können mit den aus der Literatur bekannten Spinstrukturen in Einklang gebracht werden. Die Wechselwirkungen sind überwiegend antiferromagnetisch, in Übereinstimmung mit den GKA-Regeln für den Superaustausch. Bei YMn2O5 wird insbesondere eine der schwächeren Kopplungen in der magnetischen Struktur periodisch frustriert. Man geht davon aus, daß dies eine mögliche Ursache für das Auftreten von Ferroelektrizität in der magnetischen Phase ist. Bei YFeMnO5 ist der berechnete Wert dieser Kopplung wesentlich größer und die magnetische Struktur beinhaltet keine Frustration. Dies ist eine mögliche Erklärung für die Abwesenheit der magnetisch induzierten Ferroelektrizität in YFeMnO5. Im zweiten Teil stehen das in Perowskitstruktur kristallisierende SrTiO3 und die durch Hinzufügen von SrO daraus hervorgehenden Kristallstrukturen der sog. Ruddlesden-Popper-Phasen (RP) im Mittelpunkt. Die Daten von Nahkanten-Elektronenenergieverlustspektren (ELNES) an der Sauerstoff K-Kante in SrTiO3, SrO und einer RP-Phase wurden ausgewertet und mit DFT-berechneten projizierten Zustandsdichten (PDOS) der 2p-Orbitale der O-Atome in diesen Verbindungen verglichen. Bei ELNES-Nahkantenspektren ist ein solcher Vergleich mit Experimenten im Bereich hoher Elektronenenergien möglich, weil die Auswahlregel auch für die inelastischen Elektronenstöße zutrifft. Die Spektren zeigen für jede Verbindung charakteristische Maxima, deren Ursache die unterschiedliche nähere Umgebung der Sauerstoffatome ist. Weiterhin wurden Experimente an SrTiO3-Einkristallen unter Einfluß elektrischer Gleichströme und -felder durchgeführt. Bei Experimenten an Einkristall-Wafern waren Hinweise auf lokale Veränderungen der Kristallstruktur unter diesen Bedingungen gefunden worden. Ergänzend dazu wurden mikroskopische einkristalline Proben untersucht. Bei geringen Stromstärken zeigte sich dabei das bereits bekannte Degradationsverhalten des elektrischen Widerstands. Bei hohen Stromstärken kommt es zum elektrischen Durchbruch und dauerhafter Erniedrigung des Widerstands. Röntgenbeugungsmessungen ergaben keine Hinweise auf Veränderungen an der Kristallstruktur oder in Form von Zwillings-oder Bruchstückbildung. Im dritten Teil werden Röntgenbeugungsmessungen an CeCu2Si2-Einkristallen diskutiert. Bei der Auswertung älterer Messungen fielen nach der Strukturbestimmung charakteristische Maxima der Restelektronendichte auf, deren Ursprung nicht erklärt werden konnte und die bei mehreren Kristallen beobachtet wurden. Mit erneuten Messungen und Simulationen konnte nun gezeigt werden, daß diese Maxima von einer fehlerhaften Auswertungsmethode verursacht wurden.

A particularly interesting class of modern materials is ferroic ceramics. Their characteristic order parameter is a result of quantum chemistry taking place on a sub-Å length scale and long-range couplings, e.g. mediated by electrostatic or stress fields. Furthermore, the particular subclass of multiferroics possesses more than one order parameter and exhibits an intriguing coupling between them, which is interesting both from the fundamental physics point of view as well as from a technological vantage point. While on a more fundamental level it is desirable to elucidate the physical details of the coupling mechanism, this knowledge could subsequently lead to new and technologically interesting multiferroic materials, which overcome their current drawback that only one of the multiple order parameters is appreciably large while the others stay small. Due to the short and long range nature of the driving forces, one challenge for thoroughly understanding ferroic ceramics is the characterization of material properties within a large interval of length scales from several tens of µm to sub-Å. To that end, it is useful to exploit that all order parameters can be described as macroscopic fields, e.g. electric polarization or strain, which, in turn, can be either directly or indirectly probed with an electron beam such as used in Transmission Electron Microscopy (TEM). Consequently, TEM is excellently suited for investigating ferroic materials, i.e., state-of-the-art instruments facilitate aberration corrected imaging within a large magnification interval covering the length scales of interest, in particular the atomic regime. A general drawback of conventional TEM techniques is the loss of phase information originally contained in the scattered electron wave introduced by recording only the electron density. Electron Holography is an advanced TEM technique that facilitates the complete evaluation of the complex electron wave, which, in combination with the manifold possibilities of TEM, provides rather straightforward access to static electromagnetic fields within the ceramic. Nevertheless, quantification of order parameters such as the electric polarization or minute details in electromagnetic fields still require to correlate the experimentally gained observations to physical models, which combine the details of the microscopic imaging process, the electron-specimen scattering, and solid state physics of the specimen. The goal of this work is to investigate and advance the limits of Electron Holography as a truly quantitative TEM technique and apply the findings in, e.g., the investigation of ferroic ceramics. In the light of the previously mentioned difficulties, the problem has to be tackled from different directions: Firstly, the whole holographic imaging process is reviewed and extended, if necessary, in order to provide quantitative measures for systematic and statistical errors inherent to reconstructed waves. In the course of that process, two previously not recognized holography-specific aberrations are identified, firstly, a resolution limiting spatial envelope and secondly, a spatial distortion to the reconstructed wave. Furthermore, several correction strategies have been developed, in order to correct the aforementioned two and other well-known disturbances, e.g. Fresnel fringes from the biprism filament. The previous holographic noise model has been extended to incorporate the important contribution from the detector and consequently to provide realistic statistic error bars of the holographically reconstructed amplitude and phase. Secondly, an investigation of the electron-specimen scattering process itself is conducted, leading to a density matrix description of the holographic measurement. The general laws of quantum electrodynamics provide the framework of that description. Relativistic phenomena such as retardation of electromagnetic fields exchanged between beam electron and specimen and spin-orbit coupling of the beam electron are quantified, where the latter is found to be negligible within TEM. The decoherence of the electron wave by statistical coupling to the thermally moving crystal lattice of ceramics is treated by a newly developed algorithm facilitating in particular the accurate quantification of elastic scattering on heavy elements. Inelastic excitations in the ceramic, e.g. bulk plasmons or core electrons, are treated in combination with elastic scattering to identify their role in the holographic reconstruction process and to develop methods for an accurate calculation. A new scattering algorithm combining elastic and inelastic scattering is developed and applied to predict peculiar scattering contrasts of dipole transitions and to discuss the long-standing problem of contrast mismatch between scattering simulations and conventional imaging. To provide a user-friendly and continuing use of the findings, a software package SEMI (Simulation of Electron Microscopy Imaging) has been written, which facilitates the simulation of elastic and inelastic scattering processes and the subsequent imaging within different approximations, incorporating the newly developed algorithms. Thirdly, Density Function Theory (DFT) solid state calculations have been employed to identify and quantify structural modifications and characteristic electromagnetic fields, such as occurring at domain boundaries, within typical ferroic ceramics like BaTiO3 or BiFeO3, and concomitantly provide models correlating observables of the (holographic) experiment to characteristics of the materials, e.g. the order parameters. This is particularly important when static electromagnetic fields provide no direct information about the order parameter, e.g. the electric polarization, i.e., it is possible to correlate the measurable atomic positions to the electric polarization within linear response theory. A software package ATA (AuTomated Atomic contrast fitting) has been developed facilitating an automated fitting of atomic positions and a subsequent determination of local polarization. In a fourth step, electron holographic experiments analyzed with the help of the revised imaging process in combination with the knowledge gained from scattering theory are used as an input to the models established from solid state physics to yield quantitative information about bulk ferroelectric materials such as BaTiO3 and PbTiO3 and more complicated configurations such as domain walls in BiFeO3 and KnbO3. It is found that particular atomic shifts characteristic for ferroelectrics provide the most reliable quantitative information about the polarization down to nm length scales, whereas minute wave modification due to characteristic electron distributions within the ceramic are currently insufficiently quantitatively interpretable within Electron Holography. The linear response program, correlating atomic positions to ferroelectric polarization with the help of ab-initio calculated Born effective charges, has been successfully applied to determine finite size effects, screening layer widths and polarization charges in non-ferroelectric/ferroelectric layered systems. Finally, a special section considers the evaluation of 3D electromagnetic fields by Electron Holographic Tomography, which provides the means to characterize even more complex 3D domain wall configurations. As the capabilities of the technique are still limited by holographic reconstruction errors and particular tomographic issues such as incomplete projection data, the main focus of that section is put on the characterization and improvement of the tomographic reconstruction process. A Singular Value based reconstruction method is developed, which facilitates a quantification and control of the tomographic reconstruction error. Furthermore, vector field reconstruction is extended in order to treat magnetic vector fields leaking out from the reconstruction volume. / Ferroische Keramiken bilden eine besonders interessante Klasse moderner funktionaler Werkstoffe. Ihr charakteristischer Ordnungsparameter ist das Ergebnis quantenchemischer Prozesse innerhalb einer sub- Å Längenskala und spezifischer langreichweitiger Kopplungen, welche beispielsweise durch elektromagnetische oder Spannungsfelder vermittelt werden. Des Weiteren besitzt die besondere Unterklasse der Multiferroika mehr als einen Ordnungsparameter und zeigt eine faszinierende Kopplung zwischen ihnen, was sowohl vom Standpunkt physikalischer Grundlagenforschung als auch aus technologischer Sicht von Interesse ist. Während es vom fundamentalen Standpunkt erstrebenswert ist, die physikalischen Details des Kopplungsmechanismus aufzuklären, könnte in der Folge dieses Wissen zu neuen und technologisch interessanten multiferroischen Materialien führen, welche den derzeit bestehenden Nachteil, dass nur ein Ordnungsparameter genügend groß ist, während die jeweils anderen klein bleiben, hinter sich lassen. Aufgrund der kurz- und langreichweitigen Natur der Antriebskräfte besteht eine Herausforderung für das umfassende Verständnis ferroischer Keramiken aus der Charakterisierung von Materialeigenschaften innerhalb eines breiten Intervalls von Längenskalen, welches von einigen 10 µm bis unterhalb eines Å reicht. Um dieses Ziel zu erreichen ist es zweckmäßig auszunutzen, dass alle Ordnungsparameter als makroskopische, beispielsweise elektrostatische oder Verzerrungs-, Felder beschrieben werden können, welche wiederum direkt oder indirekt mit einem Elektronenstrahl, wie er im Transmissionselektronenmikrokop (TEM) zur Anwendung kommt, gemessen werden können. Folglich ist die Transmissionselektronenmikroskopie hervorragend geeignet um ferroische Materialien zu untersuchen, das heißt, modernste Geräte ermöglichen aberrationskorrigierte Aufnahmen innerhalb eines großen Vergrößerungsbereiches, welche die interessanten Längenskalen und insbesondere den atomaren Bereich abdecken. Ein allgemeiner Nachteil der konventionellen TEM Techniken ist der Verlust der Phaseninformationen, welche ursprünglich in der Elektronenwelle vorhanden sind und durch die Aufzeichnung der Elektronenintensität zerstört werden. Elektronenholographie ist eine weiterentwickelte TEM Technik, welche die vollständige Auswertung der komplexen Elektronenwelle ermöglicht, was wiederum in Verbindung mit den vielfältigen Möglichkeiten der TEM einen vergleichsweise direkten Zugang zu elektromagnetischen Feldern in der Keramik ermöglicht. Nichtsdestotrotz erfordert die Quantifizierung von Ordnungsparametern, wie der elektrische Polarisierung, oder von kleinsten Details elektromagnetischer Felder die Korrelation experimenteller Daten mit physikalischen Modellen, welche die Details des mikroskopischen Bildgebungsprozesses mit der Elektronen-Objekt Streuung und der Festkörperphysik des Objektes kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht aus der Untersuchung und Erweiterung der Möglichkeiten von Elektronenholographie als quantitative TEM Messmethode und der Anwendung dieser Ergebnisse bei der Untersuchung ferroischer Keramiken. Im Lichte der eben erwähnten Schwierigkeiten muss das Problem von verschiedenen Richtungen bearbeitet werden: Erstens wird der komplette holographische Bildgebungsprozess mit dem Ziel einer quantitativen Bewertung systematischer und statistischer Fehler der rekonstruierten Welle analysiert und gegebenenfalls erweitert. Im diesem Zuge wurden zwei bisher nicht erkannte holographiespezifische Fehler identifiziert, erstens eine auflösungsbegrenzende räumliche Enveloppe und zweitens eine räumliche Verzerrung der rekonstruierten Welle. Außerdem wurden verschiedene Korrekturmöglichkeiten entwickelt, um die zwei eben genannten und andere wohlbekannte Störungen, wie zum Beispiel die Fresnelstreifen des Biprismafadens, zu korrigieren. Das bisherige holographische Rauschmodel wurde erweitert um den beträchtlichen Einfluss des Detektors zu berücksichtigen und damit realistische Fehlerbalken für die holographisch rekonstruierte Amplitude und Phase zu erhalten. Zum Zweiten wird der Streuprozess selber untersucht, was zu einer Dichtematrixbeschreibung der holographischen Messung führt. Den Rahmen dieser Untersuchungen liefern die Gesetze der Quantenelektrodynamik. Relativistische Phänomene wie die Retardierung elektromagnetischer Felder, welche zwischen Strahlelektron und Objekt ausgetauscht werden, oder Spin-Bahn Kopplung des Strahlelektrons werden quantifiziert, wobei letzteres als unwichtig für TEM eingestuft werden konnte. Die Dekohärenz der Elektronenwelle durch die statistische Kopplung an das thermisch bewegte Kristallgitter der Keramik wird mit einem neu entwickelten Algorithmus beschrieben, welcher insbesondere die genaue Quantifizierung der elastischen Streuung an schweren Elementen erlaubt. Ein weiterer neuer Streualgorithmus, welcher elastische und inelastische Streuung kombiniert, wird entwickelt und angewendet, um spezifische Streukontraste von Dipolübergängen vorauszusagen und das altbekannte Problem der Kontrastdiskrepanz zwischen simulierten und experimentellen Bildkontrasten zu diskutieren. Um eine anwenderfreundliche und fortdauernde Anwendung der Erkenntnisse zu ermöglichen, wurde das Softwarepaket SEMI geschrieben, welches die Simulation elastischer und inelastischer Streuprozesse und des nachfolgenden Bildgebungsprozesses innerhalb verschiedener Näherungen ermöglicht und die neu entwickelten Algorithmen beinhaltet. Zum Dritten kommen dichtefunktionalbasierte Festkörperrechenmethoden zur Anwendung um charakteristische elektromagnetische Felder, wie sie beispielsweise an Domänengrenzen entstehen, innerhalb typischer ferroischer Keramiken wie BaTiO3 oder BiFeO3 zu identifizieren und zu quantifizieren und gleichzeitig Modelle zu entwickeln, welche Observablen des (holographischen) Experiments mit Charakteristika des Materials, beispielsweise den Ordnungsparamtern, korrelieren. Dies ist besonders wichtig, wenn statische elektromagnetische Felder keinen direkten Zugang zu den Ordnungsparametern, wie zum Beispiel die ferroelektrische Polarisation, liefern; beispielsweise besteht innerhalb linearer Antworttheorie die Möglichkeit, atomare Positionen mit der elektrischen Polarisation zu korrelieren. Ein Softwarepaket wurde entwickelt, welches die automatische Bestimmung der Atompositionen und der daraus resultierenden lokalen Polarisation ermöglicht. In einem vierten Schritt wurden mit Hilfe des überarbeiteten holographischen Bildgebungsprozesses in Kombination mit den aus der Streutheorie gewonnenen Erkenntnissen holographische Experimente analysiert und als Input für die mit Hilfe der Festkörpertheorie entwickelten Modelle genutzt, um quantitative Informationen über raumferroische Materialien wie BaTiO3 und PbTiO3 und kompliziertere Anordnungen wie Domänengrenzen in BiFeO3 und KnbO3 zu gewinnen. Es konnte festgestellt werden, dass spezifische atomare Verschiebungen, welche charakteristisch für Ferroelektrika sind, die zuverlässigste quantitative Information über die Polarisation bis in den Längenbereich einiger nm liefern, wogegen kleinste Wellenmodifikationen aufgrund charakteristischer Elektronenverteilungen innerhalb der Keramik mit Hilfe von Elektronenholographie nur unzureichend interpretierbar sind. Das lineare Antwortprogramm, welches die Atompositionen über Bornsche effektive Ladungen mit ferroelektrischer Polarisation korreliert, wurde erfolgreich angewendet, um Größeneffekte und Ausdehnungen von Abschirmschichten und Polarisationladungen in nichtferroelektrisch/ferroelektrischen Schichtsystemen zu bestimmen. Abschließend widmet sich ein spezieller Abschnitt der Auswertung 3D elektromagnetischer Felder mit Hilfe der elektronenholographischen Tomographie, was die Voraussetzung für die Charakterisierung von noch komplizierteren 3D Domänenwandanordnungen liefert. Da die Möglichkeiten dieser Technik durch den holographischen Rekonstruktionsfehler und spezifisch tomographische Probleme noch beschränkt sind, liegt der Schwerpunkt dieses Abschnitts in der Charakterisierung und Verbesserung des tomographischen Rekonstruktionsprozesses. Es wird eine singulärwertbasierte Rekonstruktionsmethode entwickelt, welche die Quantifizierung und Kontrolle des Rekonstruktionsfehlers ermöglicht. Außerdem wird die Vektorfeldrekonstruktion erweitert, um magnetische Vektorfelder, welche über das Rekonstruktionsvolumen hinausragen, zu behandeln.

The structure and magnetism of selected compounds of the pnictides iron based superconductors with chemical formula LnO{1-x}FeAsFx (Ln = La,Sm and Ce), commonly known as 1111, and of rare earth iron borates RFe3(BO3)4 (R = Tb, Gd, Nd and Y), were studied by means of hard x-ray diffraction. For the 1111 pnictides compounds, Rietveld refinement of powder x-ray diffraction measurements at room temperature reveals, that the ionic substitution of O by F has no effect on the structure of the FeAs layers of tetrahedra, whereas the major changes takes place in the LnO layer. These changes are reflected as a shrinkage of the crystal lattice, specially in the c direction. Additionally, a study of the temperature dependent structure of the Sm and Ce-1111 compounds was performed and an estimation of the the structural transition temperature was obtained. The results of the structural measurements, combined with electrical resistivity and µSR, were used to construct the Sm and Ce-1111 phase diagrams. These phase diagrams are characterized by two regions, consisting of a spin density wave (SDW) state and a superconducting state, which are sharply separated upon doping. Considering the different Ln ion, upon F doping the transition temperatures are more efficiently suppressed in Ce-1111 as compared to Sm-1111. More intriguingly, for the Ce case, a coexistence region between static magnetism and superconductivity without an orthorhombic distortion has been observed. Further analysis of the width of the Bragg peaks reveals strong lattice fluctuations towards phase transitions, which are reflected in magnetic and transport properties. Moreover, a strong damping of the lattice fluctuations is observed at Tc for superconducting Sm-1111 samples, giving experimental evidence of competing orders towards phase transitions in the iron pnictides. Regarding the iron borates, non-resonant x-ray scattering studies have shown several new diffraction features, from the appearance of additional reflections that violate the reflection conditions for the low temperature crystal structure, to the emerging of commensurate superlattice peaks that appear below TN. A detailed analysis of the structure factors and q dependencies of the earlier reflections, demonstrate their magnetic nature. Additional resonant x-ray magnetic scattering experiments on NdFe3(BO3)4 were performed at the Nd L2,3 and Fe K edges. The results show that the magnetization behavior is different for the Nd and for the Fe sublattices. Moreover, we find that the magnetization of the Nd sublattice is induced by the Fe magnetization. The temperature dependent measurements also show a commensurate to incommensurate transition where the magnetic structure changes from a commensurate collinear structure, where both Nd and Fe moments align in the hexagonal basal plane, to an incommensurate spin helix structure that propagates along c. When a magnetic field is applied, the spin helix is destroyed and a collinear structure is formed where the moments align in a direction perpendicular to the applied magnetic field. Moreover, the critical field at which the spin helix is destroyed is the same field at which the magnetic induced electric polarization is maximum, thus, showing that the spin helix is not at the origin of the electric polarization.

Multiferroic materials with a coupled ordering of electric and magnetic moments could be used to build energy-efficient, magnetic computer memory that is written with an electrical field. To understand the interaction between the magnetic and electric ordering in such materials, two examples, namely yttrium manganate YMn2O5 and neodymium iron borate NdFe3(BO3)4, are studied by means of resonant x-ray diffraction. The important role of a pure electronic contribution to the ferroelectric polarization is shown in YMn2O5. Furthermore, substitution of Fe can change the magnetic order of YMn2O5 from antiferromagnetic into ferrimagnetic, allowing the storage of easily readable magnetic information. Therefore the change of the magnetic structure upon small Fe substitution is studied. Although most of the magnetic structure of the parent compound is kept, the Fe moments have larger components along the c-direction. In NdFe3(BO3)4 the microscopic origin of the magnetoelectric coupling is addressed as the consequence of the frustration of the Fe and Nd magnetic sublattices. The application of an electrical field shifts the balance from the helical to the collinear magnetic domains, revealing again the strong magnetoelectric coupling. / Multiferroische Materialien mit einer starken magnetoelektrischen Kopplung können als energieeffizienter, magnetischer Speicher benutzt werden, welcher mit einem elektrischen Feld geschrieben wird. Um die Wechselwirkung der elektrischen mit der magnetischen Ordnung in solchen Materialien zu verstehen, werden hier zwei Beispiele, nämlich Yttriummanganat YMn2O5 und Neodymeisenborat NdFe3(BO3)4, mit resonanter Röntgenbeugung untersucht. In YMn2O5 wird die wichtige Rolle eines rein elektronischen Beitrags zur ferroelektrischen Polarisation gezeigt. Um die magnetische Struktur von YMn2O5 von antiferromagnetisch zu ferrimagnetisch zu verändern, kann Fe substituiert werden. Dies ermöglicht es, leicht zu lesende, magnetische Informationen zu speichern. Daher wurde die Änderung der magnetischen Struktur bei leichter Fe Substituierung untersucht. Auch wenn die magnetische Struktur von Fe im wesentlichen der magnetischen Struktur von Mn folgt, haben die Fe Momente größere Komponenten entlang der c-Richtung. In NdFe3(BO3)4 wird der Ursprung der starken magnetischen Kopplung als Folge der Frustration des Nd und Fe Untergitters erklärt. Das Anlegen eines elektrischen Feldes führt zur Verschiebung des Gleichgewichts von den helikalen zu den kollinearen magnetischen Domänen, welches wieder die starke magnetoelektrische Kopplung veranschaulicht.

Es werden die Verbindungen YMn2O5 und YFeMnO5 diskutiert. Die erstere zeigt unterhalb von TN = 45 K Ferromagnetismus und in der magnetischen Phase schwache Ferroelektrizität. Die elektrische Polarisation wird mit Symmetriebrechung durch die Spinstruktur erklärt, die zur Aufhebung der Inversionssymmetrie führt (sog. unechtes Ferroelektrikum). Isostrukturelle Ersetzung von Mn durch Fe führt zu YFeMnO5, einer Verbindung, die bei T<165 K ferrimagnetisch, jedoch nicht ferroelektrisch ist. Die Spin-Strukturen beider Verbindungen sind bereits eingehend untersucht und zeigen charakteristische Unterschiede. Für Verbindungen der Zusammensetzung YFe(x)Mn(2-x)O5 wurden Röntgenbeugungs-und Absorptionsfeinstruktur-Experimente zur Bestimmung der Kristallstrukur in Abhängigkeit vom Fe-Anteil x durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, daß die Strukturparameter einen nahezu linearen Verlauf zwischen den aus der Literatur bekannten Grenzfällen YFeMnO5 und YMn2O5 nehmen. Fe ersetzt dabei das Mn auf der fünffach koordinierten Lage innerhalb einer Sauerstoff-Pyramide. Besonders markant ist die unterschiedliche Position von Mn bzw. Fe in dieser Umgebung. Mit Hilfe der Strukturdaten wurden kollineare DFT-Rechnungen im LSDA+U-Formalismus in skalar-relativistischer Näherung durchgeführt. Für YFeMnO5 konnte der experimentell bekannte Grundzustand im Rahmen der Näherung reproduziert werden, obgleich eine Bandlücke nur in Abhängigkeit von der U-Korrektur auftritt. Der berechnete Grundzustand von YMn2O5 gibt die komplizierte magnetische Struktur dieser Verbindung nicht wieder, weil die gewählte Elementarzelle des Gitters dafür zu klein ist. Statt dessen ist der berechnete Grundzustand hier sehr ähnlich zu dem von YFeMnO5. Eine ausführliche Untersuchung der projizierten Zustandsdichten der Metallatome ermöglicht die Diskussion der Kristallfeldaufspaltung im Zusammenhang mit deren Position innerhalb der Sauerstoffpolyeder. Durch Berechnung mehrerer Spinstrukturen in einer kristallographischen Elementarzelle mit erniedrigter Symmetrie konnten die Austauschparameter eines Heisenberg-Modells zwischen den lokalisierten Spins der Metallatome berechnet werden. Die Größenverhältisse dieser Parameter können mit den aus der Literatur bekannten Spinstrukturen in Einklang gebracht werden. Die Wechselwirkungen sind überwiegend antiferromagnetisch, in Übereinstimmung mit den GKA-Regeln für den Superaustausch. Bei YMn2O5 wird insbesondere eine der schwächeren Kopplungen in der magnetischen Struktur periodisch frustriert. Man geht davon aus, daß dies eine mögliche Ursache für das Auftreten von Ferroelektrizität in der magnetischen Phase ist. Bei YFeMnO5 ist der berechnete Wert dieser Kopplung wesentlich größer und die magnetische Struktur beinhaltet keine Frustration. Dies ist eine mögliche Erklärung für die Abwesenheit der magnetisch induzierten Ferroelektrizität in YFeMnO5. Im zweiten Teil stehen das in Perowskitstruktur kristallisierende SrTiO3 und die durch Hinzufügen von SrO daraus hervorgehenden Kristallstrukturen der sog. Ruddlesden-Popper-Phasen (RP) im Mittelpunkt. Die Daten von Nahkanten-Elektronenenergieverlustspektren (ELNES) an der Sauerstoff K-Kante in SrTiO3, SrO und einer RP-Phase wurden ausgewertet und mit DFT-berechneten projizierten Zustandsdichten (PDOS) der 2p-Orbitale der O-Atome in diesen Verbindungen verglichen. Bei ELNES-Nahkantenspektren ist ein solcher Vergleich mit Experimenten im Bereich hoher Elektronenenergien möglich, weil die Auswahlregel auch für die inelastischen Elektronenstöße zutrifft. Die Spektren zeigen für jede Verbindung charakteristische Maxima, deren Ursache die unterschiedliche nähere Umgebung der Sauerstoffatome ist. Weiterhin wurden Experimente an SrTiO3-Einkristallen unter Einfluß elektrischer Gleichströme und -felder durchgeführt. Bei Experimenten an Einkristall-Wafern waren Hinweise auf lokale Veränderungen der Kristallstruktur unter diesen Bedingungen gefunden worden. Ergänzend dazu wurden mikroskopische einkristalline Proben untersucht. Bei geringen Stromstärken zeigte sich dabei das bereits bekannte Degradationsverhalten des elektrischen Widerstands. Bei hohen Stromstärken kommt es zum elektrischen Durchbruch und dauerhafter Erniedrigung des Widerstands. Röntgenbeugungsmessungen ergaben keine Hinweise auf Veränderungen an der Kristallstruktur oder in Form von Zwillings-oder Bruchstückbildung. Im dritten Teil werden Röntgenbeugungsmessungen an CeCu2Si2-Einkristallen diskutiert. Bei der Auswertung älterer Messungen fielen nach der Strukturbestimmung charakteristische Maxima der Restelektronendichte auf, deren Ursprung nicht erklärt werden konnte und die bei mehreren Kristallen beobachtet wurden. Mit erneuten Messungen und Simulationen konnte nun gezeigt werden, daß diese Maxima von einer fehlerhaften Auswertungsmethode verursacht wurden.

The structure and magnetism of selected compounds of the pnictides iron based superconductors with chemical formula LnO{1-x}FeAsFx (Ln = La,Sm and Ce), commonly known as 1111, and of rare earth iron borates RFe3(BO3)4 (R = Tb, Gd, Nd and Y), were studied by means of hard x-ray diffraction. For the 1111 pnictides compounds, Rietveld refinement of powder x-ray diffraction measurements at room temperature reveals, that the ionic substitution of O by F has no effect on the structure of the FeAs layers of tetrahedra, whereas the major changes takes place in the LnO layer. These changes are reflected as a shrinkage of the crystal lattice, specially in the c direction. Additionally, a study of the temperature dependent structure of the Sm and Ce-1111 compounds was performed and an estimation of the the structural transition temperature was obtained. The results of the structural measurements, combined with electrical resistivity and µSR, were used to construct the Sm and Ce-1111 phase diagrams. These phase diagrams are characterized by two regions, consisting of a spin density wave (SDW) state and a superconducting state, which are sharply separated upon doping. Considering the different Ln ion, upon F doping the transition temperatures are more efficiently suppressed in Ce-1111 as compared to Sm-1111. More intriguingly, for the Ce case, a coexistence region between static magnetism and superconductivity without an orthorhombic distortion has been observed. Further analysis of the width of the Bragg peaks reveals strong lattice fluctuations towards phase transitions, which are reflected in magnetic and transport properties. Moreover, a strong damping of the lattice fluctuations is observed at Tc for superconducting Sm-1111 samples, giving experimental evidence of competing orders towards phase transitions in the iron pnictides. Regarding the iron borates, non-resonant x-ray scattering studies have shown several new diffraction features, from the appearance of additional reflections that violate the reflection conditions for the low temperature crystal structure, to the emerging of commensurate superlattice peaks that appear below TN. A detailed analysis of the structure factors and q dependencies of the earlier reflections, demonstrate their magnetic nature. Additional resonant x-ray magnetic scattering experiments on NdFe3(BO3)4 were performed at the Nd L2,3 and Fe K edges. The results show that the magnetization behavior is different for the Nd and for the Fe sublattices. Moreover, we find that the magnetization of the Nd sublattice is induced by the Fe magnetization. The temperature dependent measurements also show a commensurate to incommensurate transition where the magnetic structure changes from a commensurate collinear structure, where both Nd and Fe moments align in the hexagonal basal plane, to an incommensurate spin helix structure that propagates along c. When a magnetic field is applied, the spin helix is destroyed and a collinear structure is formed where the moments align in a direction perpendicular to the applied magnetic field. Moreover, the critical field at which the spin helix is destroyed is the same field at which the magnetic induced electric polarization is maximum, thus, showing that the spin helix is not at the origin of the electric polarization.

This cumulative Habilitation thesis summarizes several examples related to the application of Raman spectroscopy for the investigation of coupling phenomena induced by epitaxially, mechanically or piezoeletrically applied strain. Methods for quantitative determination of strain by Raman spectroscopy are proposed for some materials such as BiFeO3 or strained Si. Raman spectroscopy was also used for understanding temperature induced phase transitions or orbital ordering, which are intimately related to specific phonon modes, as in the case of BiCrO3 or LaVO3, respectively. A method based on the Raman tensor formalism, which allows an assignment of the BiFeO3 Raman modes of pure as well as mixed character/symmetries is proposed. Relying on this assignment it is shown that Raman spectroscopy is a powerful tool for the investigation of ferroelastic domain formation in multiferoic materials, being able to probe the tilt of the domain walls.