Das Zusammenspiel von Elektronen-, Spin-, Orbital- und Gitter-Freiheitsgraden in komplexen Oxiden erzeugt eine Vielfalt makroskopischer physikalischer Eigenschaften. Wenn die Kopplung dieser Freiheitsgrade auch nur wenig gestört wird, kann dies das physikalische Verhalten dieser Materialien stark verändern. Durch jüngste Fortschritte bei der Synthese solcher Materialien können Modellsysteme hergestellt werden, durch die eine systematische Optimierung spezifischer Wechselwirkungsparameter der Materialien ermöglicht wird. Dadurch konnten neue Syntheseverfahren etabliert werden, durch die Grundzustände der Systeme besser verstanden, kontrolliert und vorhergesagt werden können. Dies ist für künftige Anwendungen solcher Systeme wichtig. In dieser Arbeit wird die Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie (RTEM) in Kombination mit Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) eingesetzt, um die Abhängigkeit der elektronischen Struktur komplexer Oxide von der elektronischen, der Spin- und der strukturellen Ordnung zu untersuchen.

In der ersten Studie wird der Ordnungsübergang elektrischer Ladungen in gemischtvalenten Spinell-LiV2O4-Dünnfilmen untersucht. Mittels ortsaufgelöster EELS wird die lokale Ladungsverteilung unter dem Einfluss von Gitterverzerrungen, induziert durch epitaktische Spannungen, untersucht. Hierbei können in Abhängigkeit vom Spannungszustand drei verschiedene Zustände unterschieden werden: (i) ein metallischer Zustand in einem spannungsfreien Film, in dem keine Ladungsordnung auftritt; (ii) ein isolierender Zustand mit Ladungsordnung in einem unter Zugspannung stehenden Film. Dieser Zustand wurde bislang im Volumenmaterial noch nicht beobachtet. Die Ladungsordnung entspricht der Verwey-Ordnung in Fe3O4. (iii) Ein Zwischenzustand für unter Druckspannung stehende Filme, der eine kurzreichende Ladungsordnung aufweist. Hier gibt es Hinweise für eine starke Korrelation zwischen der elektronischen und der Gitterstruktur des Systems aufgrund der räumliche beengten 3d-Elektronen in Vanadium.

In der zweiten Studie werden die Auswirkungen der Kombination aus Spannungsund Grenzflächeneffekten auf die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von La2CuO4–La0.5Sr0.5MnO3–La2CuO4 Tripelschichten untersucht. Das Abbilden der lokalen Ladungsverteilung beim Vorhandensein mechanischer Spannungen mittels EELS erlaubt das Trennen der Einflüsse von Gitterverzerrungen, atomaren Stapelfolgen und chemischer Durchmischung an der Grenzfläche. Die Ladungsumverteilung der Mn-Ionen führt zur Entstehung von zwei verschiedenen magnetischen Phasen: Eine schwach ferromagnetische Schicht an der Grenzfläche und eine stark ferromagnetische Schicht abseits der Grenzfläche. Darüber hinaus kann die Stärke der Ladungsumverteilung durch den Grad an epitaktischer Dehnung zusammen mit dem Ladungstransfer an der Grenzfläche gesteuert werden, was wiederum die magnetische Wechselwirkung in den Tripelschichten beeinflusst.

Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit der topotaktisch induzierten strukturellen Ordnung in Seltenerd-Nickelat-Einkristallen. In Lanthanverbindungen werden nach Sauerstoffreduktion deutliche Veränderungen im Gitter sowie in der elektronischen Struktur zwischen der Perovskitphase und der Infinite-Layer-Phase beobachtet. Die Entfernung der apikalen Sauerstoffatome, wodurch NiO2-Ebenen in der Infinite-Layer-Phase gebildet werden, führt zu einem physikalischen Verhalten, welches sich von dem in Pulvern ähnlicher Zusammensetzung unterscheidet. Außerdem führt die topotaktische Reduktion der Pr-Verbindungen, bei der Teile der apikalen Sauerstoffatome entfernt werden, zur Bildung einer Brownmillerit-ähnlichen Struktur. Eine Ordnung der Sauerstoffleerstellen bewirkt abwechselnde oktaedrische NiO6- und pyramidale NiO5-Schichten in der Struktur, was zuvor in sauerstoffarmen Nickelaten nicht beobachtet wurde.

Schließlich wird eine durch Dotierung induzierte Umwandlung der elektronischenStruktur untersucht. K-dotiertes BaSbO3 durchläuft einen Metall–Isolator–Übergang, der von einer strukturellen Umwandlung durch Elektronen-Dotierung begleitet wird. Die mit EELS untersuchten niederenergetischen Anregungen zeigen drei verschiedene Komponenten: einen Interband-Übergang über die Bandlücke, ein Plasmon freier Elektronen und ein Bipolaron. Die systematischen Veränderungen dieser drei Komponenten erklären die beobachteten Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit. Das Fehlen des Bipolaronpeaks beim Abkühlen deutet auf die Bildung von Bipolaronen in der Halbleiterzwischenphase hin. Aus diesen Beobachtungen lässt sich schließen, dass Änderungen der Ladungsträgerkonzentration den Übergang vom Metall zum Isolator durch einen Bipolaron-Mechanismus vorantreiben, bei dem das Bipolaron in Antimonaten in einen isolierenden Zustand mit geordneter Ladung übergeht.

Insgesamt zeichnet diese Arbeit ein klares Bild davon, wie sich die elektronische Struktur entwickelt, indem Ladungs-, Spin- und strukturelle Ordnungen mittels verschiedener Einflüsse wie epitaktischer Dehnung, Grenzflächenstruktur bis hin zu chemischer Dotierung und topotaktischer Reduktion verändert werden. Durch Kombination dieser Einflüsse konnten Einblicke in das physikalische Verhalten gewonnen werden und Wege für die gezielte Einstellung der Eigenschaften komplexer Oxide aufgezeigt werden.