In this thesis the charge dynamics of correlated electron systems, in which a metallic phase lies in close proximity to an ordered phase, are investigated by means of angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). The analysis of the experimental data is complemented by electronic structure calculations within the framework of density functional theory (DFT). First the charge dynamics of the colossal magnetoresistant bilayer manganites are studied. The analysis of the ARPES spectra based on DFT calculations and a Peierls type charge density wave model, suggests that charge, orbital, spin and lattice degrees of freedom conspire to form a fluctuating two dimensional local order that produces a large pseudo gap of about 450 meV in the ferromagnetic metallic phase and that reduces the expected bilayer splitting. Next, the interplay of Kondo physics and (magnetic) order in the heavy fermion superconductor URu2Si2 is investigated. The low energy electronic structure undergoes strong changes at 17.5 K, where a second order phase transition occurs whose phenomenology is well characterized, but whose order parameter could not yet be unambigeously identified. Below THO, non-dispersive quasi particles with a large scattering rate suddenly acquire dispersion and start to hybridize with the conduction band electrons. Simultaniously the scattering rate drops sinificantly and a large portion of the Fermi surface vanishes due to the opening of a gap within the band of heavy quasi particles. The observed behaviour is in stark contrast to conventional heavy fermion systems where the onset of hybridization between localized and itinerant carriers happens in a crossover type transition rather than abruptly. These experimental results suggest that Kondo screening and the hidden order parameter work together to produce the unusual thermodynamic signatures observed in this compound. Finally, the influence of charge doping and impurity scattering on the superconducting porperties of the transition metal substituted iron pnictide superconductor Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM = Co, Ni) is studied. Here, resonant soft X-ray ARPES is applied to see element selective the contribution of the 3d states of the TM substitute to the Fe 3d host bands. The spectroscopic signatures of the substitution are found to be well reproduced by DFT supercell and model impurity calculations. Namely, the hybridization of the dopant with the host decreases with increasing impurity potential and the electronic states of the impurtiy become increasingly localized. Simultaniously, in all simulated cases a shift of the Fermi level due to electron doping is observed. The magnitude of the shift in the chemical potential that accurs in BaFe2As2, however, is in stark contrast to the marginal doping values obtained for the impurity model, where the shift of the chemical potential is largely compensated by the influence of the increasing impurity potential. This suggests that the rigid band behaviour of TM substituded BaFe2As2 is a peculiarity of the compound, which has strong implications for the developement of superconductivity. / In dieser Arbeit wird die Ladungstraegerdynamik in korrelierten Elektronensystemen, in denen eine metallische Phase in direkter Nachbarschaft zu einer geordneten Phase liegt, mit Hilfe von winkelaufgeloester Photoelektronenspektroskopie (ARPES) untersucht. Die Analyse der experimentellen Daten wird ergaenzt durch lektronenstrukturrechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT). Zuerst wird die Ladungstraegerdynamik in gemischtvalenten zweischichtmanganaten mit kolossalem Magnetiwiderstand studiert. Die Analyse der Photoemissionsspektren basierend auf DFT Rechnungen und einem Peierls artigem Ladungsdichtewellenmodell, legt nahe, dass die Freiheitsgrade von Ladung, Orbitalen, Spin und des Ionengitters konspirieren, um eine fluktuierende zweidimensionale lokale Ordnung zu bilden, die verantwortlich ist fuer die beobachtete Pseudobandluecke von 450 meV, und die zur Reduktion der erwarteten Zweischichtaufspaltung beitraegt. Als naechstes wird das Zusammenspiel von Kondo Physik und (magnetischer) Ordung im Schwerfermionensupraleiter URu2Si2 untersucht. Die iedrigenergetische elektronische Struktur zeigt starke Veraenderungen bei 17.5 K, wo ein Phasenuebergang zweiter Ordnungstattfindet, der phenomenologisch gut charakterisiert ist, aber dessen Ordungsparameter nocht nicht eindeutig identifiziert werden konnte. Unterhalb von THOerlangen nicht dispergierende Quasiteilchen mit gro en Streuraten abrupt Dispersion und hybridisieren mit den Leitungselektronen. Gleichzeitig sinkt die Streurate und ein gro er Teil der Fermiflaeche verschwindet durch das Oeffnen einer Bandluecke innehalb des Bandes schwerer Quasiteilchen. Das beobachtete Verhalten steht in starkem Kontrast zu dem von konventionellen Schwerfermionensystemen, in denen die Hybridisierung zwischen lokalisierten und itineranten Ladungstraegern in einem kontinuierlichen Uebergang ablaeuft, anstatt abrubt. Diese experimentellen Befunde lassen den Schluss zu, dass das zusammenspiel zwischen Kondo Abschirmung und dem unbekannten Ordnungsparameter die ungewoehnlichen thermodynamischen Signaturen in dieser Verbindung hervorruft. Abschliessend wird das Zusammenwirken von Ladungstraegerdotierung und Streuung an Stoeratomen auf die Supraleitung uebergangsmetalldotierter Eisenpniktid Supraleiter Ba(Fe1-xTMx)2As2 (TM = Co, Ni) untersucht. Mit Hilfe von resonantem Weichenroentgen ARPES gelingt es, elementselektiv den Beitrag der 3d Zustaende des TM Substituenten zu den Eisen 3d Wirtsbaendern zu beobachten. Die spektroskopischen Signaturen der Substitution sind mit Hilfe von DFT Rechnungen und Modelrechnungen mit zufaellig verteilten Stoeratomen gut zu reproduzieren. Insbesondere nimmt die Hybridisierung des dotierten Uebergangsmetalls und der Eisenbaender mit zunehmender Kernladungszahl ab und die elektronischen Zustaende der Stoeratome werden zunehmen lokalisiert. Gleichzeitig wird in allen gerechneten Faellen eine Verschiebung des Fermi Niveaus durch Elektronendotierung beobachtet. Der Betrag der Verschiebung des chemischen Potentials in BaFe2As2 steht allerdings in starkem Kontrast zu den Werten, die man im Falle der Modellrechnungen erhaelt, wo die Verschiebung des Fermi Niveaus durch den Einfluss des Potentials der Stoeratome groesstenteils kompensiert wird. Dies legt nahe, dass das beobachtete "rigid band" Verhalten von TM substituiertem BaFe2As2 eine Besonderheit dieser Verbindung ist, welches starke Auswirkungen auf die Ausbildung von Supraleitung hat.

This thesis is organized in to six chapters. The contents of each chapter are briefly summarized in the following sections. Chapter 1 introduces different Fe-based superconductors. Within a very short span of their discovery, they quickly expanded to include six different crystal structures. The crystal structure of these systems and their Tc’s are discussed in this chapter. In particular, the properties of Fe1+yTe are described with specific reference to isovalent doping and nonisovalent doping using different elements that affect the superconducting transition in this material. In chapter 2, the basic principles of growth and characterization techniques are explained. These are: 1. Modified Bridgman technique, 2. X-ray diffraction technique, 3. Electron Probe Micro Analyzer to determine chemical composition, 4. SQuID – For magnetization measurements, 5. Closed cycle refrigerator and He Cryostat – for resistivity measurements. The fabrication of high temperature furnace for Bridgman setup is also discussed. Crystal growth and characterization of parent Fe1+yTe and Sb doped Fe1+yTe system are discussed in chapter 3 and chapter 4 respectively. Details of crystal growth by modified Bridgman technique are described here. The characterization includes analysis of crystalline phase, structure and composition. Detailed structural information is extracted from Rietveld refinement of X-ray powder diffraction and the composition analyzed using EPMA. Temperature dependence of magnetization and transport behavior are also discussed. The ideal doping range of Sb in Fe1+yTe is defined in this chapter. In chapter 5, the effect of Sb doping of Fe1.05Te0.50Se0.50 is investigated. The crystal growth and characterization of the new superconductor, Fe1.05Te0.50Se0.48Sb0.02 are deliberated. The superconducting transition observed in transport measurements at zero field and the magnetic field dependence of transition temperatures are discussed. Estimation of upper critical Page|vi|Preface field using Ginzburg-Landau theory as well as the field dependence of magnetization of this crystal is explained in this chapter. The thesis concludes with a chapter on summary and outlook on all investigations. Finally, the scope of future work is outlined in the last section.

Eine Methode zur Variation der interatomaren Abstände eröffnet die epitaktische Abscheidung dünner Schichten. Dabei führt die Wahl eines geeigneten Substrates zu Spannungen in der Schichtebene. Im Gegensatz zu hydrostatischen Druckexperimenten an Massivproben ist die dadurch erzeugte biaxiale Verspannung des Kristallgitters von der Art der Probenherstellung abhängig und kann anschließend nicht mehr variiert werden. Werden für verschiedene Verspannungszustände das Substrat und die Präparationsparameter angepasst, beeinflusst dies gleichzeitig das Schichtwachstum. Aus den daraus resultierenden Schichteigenschaften lässt sich der Einfluss der Gitterdeformation nur schwer separieren, was die Vergleichbarkeit von verschiedenen Verspannungszuständen stark einschränkt. Aus diesem Grund konzentrieren sich bisherige Untersuchungen zur Dehnungsempfindlichkeit von supraleitenden Dünnschichten zumeist auf die phänomenologische Beschreibung der Ergebnisse, da sie nur schwer mit der Verspannung in Korrelation zu setzen sind. Da dieses Problem mit herkömmlichen Verfahren nicht zu lösen ist, werden in dieser Arbeit neue Verspannungstechniken auf supraleitende Dünnschichten angewendet und im Besonderen mit dem Fokus auf Fe-basierte Supraleiter untersucht. Zum einen kommen dazu piezoelektrische Substrate zum Einsatz, die eine biaxiale Verspannung der darauf abgeschiedenen Dünnschicht ermöglichen, indem die Gitterparameter des Substrates durch ein elektrisches Feld verändert werden. Zum anderen wird auf Grundlage flexibler Substrate mittels eines Biegeversuchs eine uniaxiale Gitterdeformation von Dünnschichten realisiert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Anwendung der dynamischen Verspannung auf supraleitende Schichten für zwei wichtige Materialklassen demonstriert: die Kupferoxid-basierten Supraleiter und die Eisen-basierten Supraleiter. In beiden Fällen konnte ein epitaktisches Wachstum durch gezielte Anpassung der Pufferarchitektur erreicht werden. Im Fall der piezoelektrischen Substrate wurde der vollständige Übertrag der Verspannung in die Schicht nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit der induzierten Dehnung über verschiedene Verfahren ermittelt. Auf dieser Grundlage konnte die Dehnungsempfindlichkeit der supraleitenden Übergangstemperatur, die bisher nur durch statisch verspannte Schichten zugänglich war, näher untersucht werden. Zusätzlich erlaubte der Ansatz die Analyse der Vortexdynamik sowie des oberen kritischen Feldes. Es konnte materialübergreifend gezeigt werden, dass sich die Dehnungsempfindlichkeit der charakteristischen Übergangsfelder einheitlich beschreiben und sich dabei der Vortex-Glas-Flüssigkeits Übergang mit der Aktivierungsenergie korrelieren lässt.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Wachstum dünner Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Methoden der Gitterverspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Dynamische Gitterverspannung von Dünnschichten . . . . . . . . . . . 13 2.4.1 Piezoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 Ferroelektrische Keramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.3 PMN-28%PT als Dünnschicht Substrat . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.4 Verknüpfung von epitaktischer Verspannung und Druck . . . . . 19 3 Experimentelles 21 3.1 Gepulste Laserdeposition - PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Hochenergetische Elektronenbeugung (RHEED) . . . . . . . . . 23 3.2.2 Atomkraftmikroskopie (AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.4 Elektrische Transportmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 (La,Sr)2CuO4 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.1 Eigenschaften von (La,Sr)2CuO4 Dünnschichten . . . . . . . . . 33 3.3.2 Epitaktisches Wachstum auf Einkristallen . . . . . . . . . . . . 35 3.3.3 LSCO Dünnschichten auf PMN-PT . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Ba(Fe,Co)2As2 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4.1 Eigenschaften von Ba(Fe,Co)2As2 Dünnschichten . . . . . . . . 44 3.4.2 Epitaktisches Wachstum auf Einkristallen . . . . . . . . . . . . 47 3.4.3 Ba122 Dünnschichten auf PMN-PT . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Ergebnisse und Diskussion 55 4.1 Dynamische Verspannung von supraleitenden Dünnschichten . . . . . . 55 4.1.1 Dehnungsübertrag in die Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.2 LSCO Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.3 Ba122 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2 Präparation von BaFe1;8Co0;2As2 auf flexiblen Substraten . . . . . . . . 96 4.2.1 Herstellung und Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.2 Einfluss leitfähiger Barriereschichten . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.3 Kritische Stromdichte und Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . 109 III Inhaltsverzeichnis 4.2.4 Biegeversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literaturverzeichnis I Publikationsliste XXIII Danksagung XXV Erklärung der Urheberschaft XXVII

In dieser Arbeit werden Resultate elektronischer Transportmessungen von supraleitenden Eisenpniktiden und ferromagnetischen Heusler-Verbindungen diskutiert. Die Eisenpniktide sind eine neuartige Klassen von Hochtemperatursupraleitern, deren Eigenschaften sich aus einem Zusammenspiel von Supraleitung und Magnetismus ergeben. Während die sogenannten 122-Pniktide Antiferromagnetismus aufweisen und unter Dotierung in einen supraleitenden Zustand übergehen, konnte in dotiertem LiFeAs Ferromagnetismus beobachtet werden. Undotiert hingegen zeigt dieses Material interessante supraleitende Eigenschaften. Die Heusler-Verbindungen sind u.a. durch ihren Ferromagnetismus bekannt. Das hier untersuchte Co2FeSi ist einer der stärksten Ferromagnete. Der in diesem Material vorhergesagte vollständig spinpolarisierte elektronische Transport, d.h. alle Leitungselektronen besitzen den gleichen Spin, konnte nachgewiesen werden. Die hier genannten Eigenschaften können exzellent mit der Methode der elektronischen Transportmessungen untersucht werden. Deren Ergebnisse aus Messungen an Einkristallen werden in dieser Arbeit diskutiert. / In this work, results of electronic transport measurements are discussed for superconducting iron pnictides as well as for ferromagnetic Heusler compounds. The iron pnictides are a recently discovered class of high temperature superconductors where magnetism might play a crucial role. While the 122-pnictides show antiferromagnetism and migrate to the superconducting state upon doping, ferromagnetism has been observed in doped LiFeAs. On the other hand, in the undoped state this material shows interesting superconducting properties. Among other propierties, Heusler compounds are well known due to their ferromagnetism. Co2FeSi, which was investigated in this work, is one of the strongest ferromagnets. Beside this, one predicts this compound to be a half-metallic ferromagnet with completely spin polarized electronic transport where all conducting electrons have the same spin. The here addressed properties can well be investigated with the method of electronic transport measurements, whose results on single crystals are discussed in this work.

The recent discovery of high-temperature superconductivity in Fe-based materials triggered worldwide efforts to investigate their fundamental properties. Despite a lot of similarities to cuprates and MgB2, important differences like near isotropic behaviour in contrast to cuprates and the peculiar pairing symmetry of the order parameter (OP) have been reported. The OP symmetry of Fe-based superconductors (FBS) was theoretically predicted to be of so-called s± state prior to various experimental works. Still, most of the experimental results favour the s± scenario; however, definitive evidence has not yet been reported. Although no clear understanding of the superconducting mechanisms yet exists, potential applications such as high-field magnets and Josephson devices have been explored. Indeed, a lot of reports about FBS tapes, wires, and even SQUIDs have been published to this date. In this thesis, the feasibility of high-field magnet applications of FBS is addressed by studying their transport properties, involving doped BaFe2As2 (Ba-122) and LnFeAs(O,F) [Ln=Sm and Nd]. Particularly, it is important to study physical properties in a sample form (i.e. thin films) that is close to the conditions found in applications. However, the realisation of epitaxial FBS thin films is not an easy undertaking. Recent success in growing epitaxial FBS thin films opens a new avenue to delve into transport critical current measurements. The information obtained through this research will be useful for exploring high-field magnet applications. This thesis consists of 7 chapters: Chapter 1 describes the motivation of this study, the basic background of superconductivity, and a brief summary of the thin film growth of FBS. Chapter 2 describes experimental methods employed in this study. Chapter 3 reports on the fabrication of Co-doped Ba-122 thin films on various substrates. Particular emphasis lies on the discovery of fluoride substrates to be beneficial for epitaxy without compromising superconducting properties. It is worth mentioning, that a world record Tc of 28 K for Co-doped Ba-122 thin films is reported here. Chapter 4 describes high-field transport properties (up to dc 35 T) of epitaxial P-doped Ba-122 thin films prepared by MBE. Among the FBS, P-doped Ba-122 shows very high transport critical current densities, although the Tc is lower than for LnFeAs(O,F)[Ln=Sm and Nd]. Additionally, the film is microstructurally clean. These high Jc values are due to a high vortex line energy. Chapter 5 deals with transport properties of epitaxial SmFeAs(O,F) thin films. In the course of this work, a dc 45 T magnet has been used within collaboration with the National High Magnetic Field Laboratory at Tallahassee, FL, USA. SmFeAs(O,F) thin films have been prepared by molecular beam epitaxy (MBE). The investigated film shows a very high transport critical current density (Jc) of over 105 A/cm2 at 45T and 4.2K for both main crystallographic directions, which features favourable for high-field magnet applications. Additionally, by investigating the pinning properties, a dimensional crossover between the superconducting coherence length and the FeAs interlayer distance at 30-40K was observed. Chapter 6 reports on high-field transport properties of NdFeAs(O,F) thin films prepared by MBE. In this case, the transition from Abrikosov to Josephson vortices was observed around 20-30K. Additionally, the angular Jc data were scaled with the anisotropic GinzburgLandau approach. The obtained parameters at given temperature are observed to increase with decreasing temperature, which is different from Co-doped Ba-122. Chapter 7 summarises this work. / Die kürzliche Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitung in Fe-basierten Materialien löste weltweite Bemühungen aus, deren grundlegende Eigenschaften zu untersuchen. Neben vielen Gemeinsamkeiten mit den Kupraten und MgB2 sind wichtige Unterschiede wie nahezu isotropes Verhalten (im Gegensatz zu den Kupraten) und eine auffällige Paarungssymmetrie des Ordnungsparameters (OP) berichtet worden. Die OP-Symmetrie der Fe-basierten Supraleiter (FBS) wurde theoretisch als s± berechnet, noch bevor experimentelle Versuche unternommen wurden. Derzeit favorisieren experimentelle Ergebnisse das s±-Szenario, dennoch gibt es noch keine definitiven Nachweise. Obwohl noch kein komplettes Verständnis des supraleitenden Mechanismus existiert, wurden schon potentielle Anwendungen wie Josephson-Elemente und Hochfeldmagnete erforscht. In der Tat erschienen zahlreiche Veröffentlichungen über supraleitende Kabel, Bänder und auch SQUIDs. Diese Arbeit befasst sich mit der Durchführbarkeit von Hochfeld-Anwendungen durch die Untersuchung der Transporteigenschaften von FBS, namentlich Ba-122 und LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Es ist von großer Wichtigkeit, die physikalischen Eigenschaften in einer Probenform zu untersuchen, die der Form in Anwendungen nahekommt (z.B. Dünnschichten), um dieselben Rahmenbedingungen vorgeben zu können. Es ist jedoch nicht einfach, epitaktische FBS Dünnschichten zu realisieren. Kürzlich gewonnene Erkenntnisse in der Herstellung von epitaktischen FBS-Dünnschichten ermöglichen nun ein tieferes Eindringen in die Transporteigenschaften. Die in diesen Untersuchungen gewonnenen Informationen stellen somit wichtige Argumente in der Diskussion um Hochfeld Anwendungen dar. Diese Arbeit besteht aus sieben Kapiteln: Kapitel 1 beinhaltet die Motivation dieser Arbeit, die Grundlagen der Supraleitung und eine kurze Zusammenstellung der bisherigen Arbeiten zur Dünnschichtherstellung von FBS. Kapitel 2 beschreibt experimentelle Methoden, die im Zuge dieser Arbeit verwendet wurden. Kapitel 3 berichtet von der Herstellung Co-dotierter Ba-122 Dünnschichten (Co-Ba-122) auf verschiedenen Fluoridsubstraten. Dabei wurde Augenmerk darauf gelegt, neben einem verbesserten epitaktischen Wachstum der Dünnschichten die supraleitenden Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Anzumerken ist, dass in diesem Rahmen Tc-Rekord-Werte von 28 K in Co-Ba-122 erzielt werden konnten. Kapitel 4 beschreibt die Hochfeld-Transporteigenschaften epitaktisch gewachsener P-dotierter Ba-122 Dünnschichten, die durch MBE hergestellt wurden. Unter den FBS zeigt P-dotiertes Ba-122 enorm hohe kritische Transport-Stromdichten, obwohl das Tc niedriger ist als bei LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Der Grund dafür konnte in der hohen Flusslinienkern-Energie des P-dotierten Ba-122 ermittelt werden. Kapitel 5 behandelt Transporteigenschaften von epitaktisch gewachsenen SmFeAs(O,F)-Dünnschichten. In diesem Zusammenhang wurde ein dc-45 T-Hochfeldmagnet in Zusammenarbeit mit dem National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, USA, genutzt. SmFeAs(O,F)-Dünnschichten wurden mit dem Molekularstrahl-Verfahren (MBE) hergestellt. Die Schichten zeigen sehr hohe kritische Transport-Stromdichten (Jc) von über 105 A/cm2 bei 45 T und 4.2 K für beide kristallographische Hauptrichtungen, parallel zur c-Achse und in der ab-Ebene. Diese Ergebnisse sehen sehr verheißungsvoll für eine Verwendung in Hochfeld-Anwendungen aus. Zusätzlich konnte durch die Untersuchung der Pinning-Eigenschaften ein Dimensionsübergang zwischen supraleitender Kohärenzlänge und FeAs-Ebenenabstand im Bereich 30-40 K beobachtet werden. Kapitel 6 berichtet über die Hochfeld-Transporteigenschaften von NdFeAs(O,F)-Dünnschichten, die mithilfe des MBE-Verfahrens hergestellt wurden. In diesem Falle konnte ein Ubergang von Abrikosov- zu Josephson-Flusslinien im Temperaturbereich 20-30 K beobachtet werden. Zusätzlich konnte die winkelabhängige kritische Stromdichte mit dem anisotropen Ginzburg-Landau-Ansatz skaliert werden. Die erhaltenen Parameter für verschiedene Temperaturen steigen mit fallender Temperatur. Dieses Verhalten ist gegensätzlich zu dem in Co-dotiertem Ba-122 gefundenen. Kapitel 7 gibt eine Zusammenfassung dieser Arbeit.

Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen den kristallchemischen Eigenschaften und dem beobachteten anomalen Verhalten im spezifischen elektrischen Widerstand (nicht-magnetischer Kondo-Effekt) aufzuzeigen und zusammenhängend zu interpretieren. Verbindungen, an denen dieser Effekt beobachtet wurde, werden aus einem Übergangs-, oder Actinidmetall mit je einem Vertreter der 15. (Pniktogene) und 16. Gruppe (Chalkogene) des Periodensystems gebildet und kristallisieren im PbFCl-Strukturtyp. Da zu ternären Actinidmetall-Pniktid-Chalkogeniden (z.B. ThAsSe, UPS) nur sehr wenige chemische und kristallographische Informationen existieren, wurden in dieser Arbeit umfassende Untersuchungen zur Kristallchemie ternärer Phasen aus den Systemen M-Pn-Q (M = Zr, Hf, La-Ce; Pn = As, Sb; Q = Se, Te durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der strukturellen Lokalisierung der beobachteten Widerstandsanomalie und der Erarbeitung chemisch-physikalischer Eigenschaftsbeziehungen. Die Darstellung der untersuchten ternären Phasen in Form von Einkristallen gelang über exothermen Chemischen Transport mit Jod. Da die erhaltenen Kristalle bis zu mehreren Millimetern groß sind, konnten an ein und demselben Kristallindividuum sowohl die stoffliche Charakterisierung (EDXS, WDXS, ICP-OES, LA-ICP-MS, CIC) und die strukturelle Charakterisierung, als auch die Messung der physikalischen Eigenschaften erfolgen. Es konnte u.a. gezeigt werden, dass ZrAs1,4Se0,5 und HfAs1,7Se0,2 ein ähnlich ungewöhnliches Verhalten im temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zeigen, welches bereits an Thorium-Arsenid-Seleniden und Uran-Phosphid-Sulfiden beobachtet wurde. Desweiteren gelang es den beobachteten Verlauf im elektrischen Widerstand, mit seinem Minium bei etwa T = 15 K, auf intrinsische strukturelle Merkmale in der anionischen Arsen-Teilstruktur zurückzuführen. / The aim of this work was, to evaluate and interpret a relationship between the crystal-chemical properties and the observed unusual behavior in the electrical resistivity (non-magnetic Kondo-effect). Compounds, which show such an effect, are formed by a transition- or actinide-metal with both a group 15 element and a group 16 element of the periodic table. All these compounds crystallizing in the PbFCl type of structure. Because of less crystallographic and chemical information about actinide-metal-pnictide-chalcogenides (i.e. ThAsSe, UPS), intensive investigation were made concerning the crystal-chemistry of ternary phases of the systems M-Pn-Q (M = Zr, Hf, La-Ce; Pn = As, Sb; Q = Se, Te. Our studies were focused on the structurally localization of the observed anomaly in the electrical resistivity and the evaluation of chemical-physical relations of properties. The synthesis of the investigated ternary phases was realized by exothermically Chemical Transport with iodine as transport agent. The dimension of the synthesized crystals allowed a chemical (EDXS, WDXS, ICP-OES, LA-ICP-MS, CIC) and structurally characterization, as well as a determination of the physical properties on one large single crystal. It could be shown, that ZrAs1,4Se0,5 and HfAs1,7Se0,2 reveal a similar unusual behavior in the temperature dependent electrical resistivity, as it was observed in thorium-arsenide-selenides and uranium-phosphide-sulphides. In conclusion, the non-magnetic Kondo-effect, which was found in the low-temperature range (about 15 K), arises from structurally features of the anionic sublattice with arsenic.

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.

The thesis work presented here emphasizes important aspects of crystal growth and the influence of chemical substitution in Fe-As superconductors. High temperature solution growth technique is one of most powerful and widely used technique to grow single crystals of various materials. The biggest advantage of high temperature solution growth technique is the, possibility of growing single crystals from both congruently and incongruently melting materials. Solution growth technique has the potential to control high vapour pressures, given the fact that, in Fe-based superconductors elements with high vapour pressure like As, K, Li and Na have to be handled during the crystal growth procedure. In this scenario high temperature solution growth is the best suitable growth technique to synthesize sizable homogeneous single crystals. Using self-flux high temperature solution growth technique, large centimeter-sized high quality single crystals of BaFe2As2 were grown. This pristine compound BaFe2As2 undergoes structural and magnetic transition at TS/N=137 K. By suppressing this magnetic transition and stabilizing tetragonal phase with chemical substitution, like Co-doping and Na-doping, bulk superconductivity is achieved. Superconducting transitions of as high as Tc = 34 K with Na substitution and Tc = 25 K with Co-doping were obtained. A combined electronic phase diagram has been achieved for both electron doping with Co and hole doping with Na in BaFe2As2. Single crystals of LiFe1−xCoxAs with x = 0, 0.025, 0.05 and 0.075 were grown by a self-flux high temperature solution growth technique. The charge doping in LiFeAs is achieved with the Co-doping in Fe atoms. The superconducting properties investigated by means of temperature dependent magnetization and resistivity revealed that superconductivity is shifted to lower temperatures and with higher amount of charge carriers superconductivity is killed. Single crystals of KFe2As2 were grown with two different fluxes, namely, FeAs-flux and KAs-flux. The superconducting transition is found to be at 3.8K in both the crystals. The influence of doping with selected elements like Na, Rh, Co and Cr has been investigated systematically in KFe2As2 single crystals. With Na-doping at the K-site, yield (K1−xNax)Fe2As2; superconductivity is suppressed to lower temperatures. Substitution of Co and Cr at Fe site, yield K(Fe0.95Co0.05)2As2, K(Fe0.95Cr0.05)2As2 superconductivity is rapidly killed. Single crystals of (Ba0.6Eu0.4)(Fe1−xCox)2As2 with x = 0, 0.05, 0.1, 0.15 and 0.2 were grown with solution growth technique using Fe-As flux and investigated with several physical measurements. The growth conditions are highly optimized to grow flux free large single crystals especially in case of BaFe2As2 family. The high quality of the crystals were revealed by several physical properties, for e.g. single crystals of Ba(Fe1−xCox)2As2 are of the highest quality which was confirmed by the magnetic ac susceptibility which showed a very sharp superconducting transition.

In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten aus dem nicht-supraleitenden BaFe2As2 (Ba122) auf eisengepufferten Spinell-Einkristallsubstraten mittels der gepulsten Laserdeposition abgeschieden, strukturell charakterisiert und auf ihre physikalischen Eigenschaften hin untersucht. Durch das kohärente Aufwachsen der Ba122-Schicht bis zu einer kritischen Dicke, d_c, kommt es zu einer tetragonalen Verzerrung der Ba122-Einheitszelle (nachgewiesen durch Röntgendiffraktometrie), die zu einer supraleitenden Phase führt. In Dünnschichten mit einer Dicke der Ba122-Schicht d_c < 30 nm sind zwei Bereiche der Supraleitung existent. Ab einer Temperatur von 35 K werden erste Zeichen einer supraleitenden Phase gemessen. Es wird gezeigt, dass im Bereich zwischen 35 K und 15 K fadenförmige Supraleitung in Bereichen mit leicht geringerem Spannungszustand vorliegt. Gefunden wird dies mithilfe von Messungen in einem Suszeptometer mit supraleitendem Quanteninterferenzdetektor (SQUID-MS), durch Elektronen-Rückstreu-Beugung sowie mittels des Vergleichs mit isovalent dotiertem Ba122. Die Übereinstimmung in den strukturellen Daten der Dünnschichten und von isovalent dotierten Einkristallen zeigt, dass die auf Eisen basierenden Supraleiter eine starke Abhängigkeit von den strukturellen Parametern besitzen und strukturelle Veränderungen großen Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften haben. Unterhalb von 15 K wird anhand von Transportmessungen und Messungen in einem SQUID-MS nachgewiesen, dass Massivsupraleitung vorliegt. Messbare kritische Stromdichten bestätigen das Vorliegen einer solchen Phase in der gesamten Probe. Die Untersuchung der Flusslinienverankerungseigenschaften der Phase unterhalb von 15 K belegt, dass in sehr dünnen Schichten von d <= 10 nm die magnetische Flusslinienverankerung existiert. Eine Vergrößerung der Schichtdicke führt zur Bildung von Defekten durch die Gitterfehlpassung zwischen Eisen- und Ba122-Schicht. Die Bildung dieser Defekte wird durch In-situ-Untersuchungen mittels Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion und Ex-situ-Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Atomkraftmikroskopie und Röntgendiffraktometrie nachgewiesen. Ab einer Dicke von ca. 30 nm fängt die Schicht an zu relaxieren. Eine Massivsupraleitungsphase kann in diesem Fall nicht mehr beobachtet werden. Eine weitere Vergrößerung der Dicke bis ca. 80 nm führt erneut zu nicht-supraleitenden Massivmaterialeigenschaften. Ein magnetischer Übergang wird bei ca. 140 K gemessen, wobei die Gitterparameter Massivmaterialeigenschaften aufweisen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Auf Eisen basierende Supraleiter 2.2 Das BaFe2As2-System 2.3 Wachstum dünner Schichten 3 Präparations- und Analysemethoden 3.1 Gepulste Laserdeposition 3.2 Strukturelle Charakterisierung 3.2.1 Röntgendiffraktometrie 3.2.2 Weitere Methoden 3.3 Methoden zur Charakterisierung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften 4 Referenzschichten 4.1 BaFe2As2-Dünnschicht ohne Eisenpufferschicht 4.2 Epitaktische Eisenschicht 4.2.1 Strukturelle Eigenschaften 4.2.2 Magnetische Eigenschaften 5 Spannungseffekte in Fe/BaFe2As2-Bilagen 5.1 Präparation 5.2 Strukturbestimmung 5.2.1 Röntgendiffraktometrie 5.2.2 Transmissionselektronenmikroskopie 5.2.3 Oberflächenbeschaffenheit 5.3 Elektrische Transportmessungen 5.3.1 Oberes kritisches Feld 5.4 Kritische Ströme und Pinningkraftdichten 5.4.1 Kritische Stromdichte und Pinningverhalten von Probe S10 5.4.2 Kritische Stromdichte und Pinningverhalten von Probe S30 5.4.3 Zusammenfassung 5.5 Magnetische Charakterisierung 5.6 Phasendiagramm 6 Abschließende Diskussion und Zusammenfassung Literaturverzeichnis Eigene Veröffentlichungen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

The capability to probe the dispersion of elementary spin, charge, orbital, and lattice excitations has positioned resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the forefront of photon science. In this work, we will investigate how RIXS can contribute to a deeper understanding of the orbital properties and of the pairing mechanism in unconventional high-temperature superconductors. In particular, we will show how direct RIXS spectra of magnetic excitations can reveal long-range orbital correlations in transition metal compounds, by discriminating different kind of orbital order in magnetic and antiferromagnetic systems. Moreover, we will show how RIXS spectra of quasiparticle excitations in superconductors can measure the superconducting gap magnitude, and reveal the presence of nodal points and phase differences of the superconducting order parameter on the Fermi surface. This can reveal the properties of the underlying pairing mechanism in unconventional superconductors, in particular cuprates and iron pnictides, discriminating between different superconducting order parameter symmetries, such as s, d (singlet pairing) and p wave (triplet pairing).