> In oxidischen Heterostrukturen kann es zur Ausbildung unerwarteter elektronischer und magnetischer Phasen kommen. Ein bekanntes Beispiel ist das Heterostruktursystem LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\), an dessen Grenzfläche ein zweidimensionalen Elektronensystem (2DES) entsteht, sofern die LaAlO\(_3\)-Filmdicke einen kritischen Wert von mindestens vier Einheitszellen aufweist. Ähnliches Verhalten konnte an der Heterostruktur γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) beobachtet werden. Die gemessenen Elektronenbeweglichkeiten und Flächenladungsträgerdichten übertreffen hierbei die in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) um mehr als eine Größenordnung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der Analyse dieser beiden Heterostruktursysteme. Die Hauptaspekte sind dabei die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften an der Grenzfläche sowie das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen. > > Im Hinblick auf das Wachstum wird demonstriert, dass die für LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) etablierte Wachstumsroutine der gepulsten Laserablation sowie die zur Überwachung des Schichtwachstums verwendete Methode der Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexion (RHEED) für das γ-Al\(_2\)O\(_3\)-Wachstum modifiziert werden müssen. So kann gezeigt werden, dass durch eine geeignete Variation der Wachstumsgeometrie die Resonanz von Oberflächenwellen, welche im Falle des γ-Al\(_2\)O\(_3\)-Wachstums die Beobachtung von RHEED-Oszillationen erschwert, vermieden werden kann und somit auch hier die Überwachung des heteroepitaktischen Schichtwachstum mittels Elektronenbeugung möglich wird. > > Für die Ausbildung des 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) wird das Szenario der elektronischen Rekonstruktion als mögliche Ursache diskutiert, wonach das divergierende Potential innerhalb des polaren LaAlO\(_3\)-Films durch einen Ladungstransfer von der Probenoberfläche in die obersten Atomlagen des unpolaren SrTiO\(_3\)-Substrats kompensiert wird. Zudem sind die Eigenschaften der Heterostruktur von den Wachstumsparametern abhängig. So wird in der vorliegenden Arbeit eine deutliche Zunahme der Ladungsträgerkonzentration und der räumliche Ausdehnung der leitfähigen Schicht insbesondere für Proben, welche bei sehr niedrigen Sauerstoffhintergrunddrücken gewachsen wurden, gezeigt und auf die Erzeugung von Sauerstofffehlstellen innerhalb des Substrats zurückgeführt. Darüber hinaus wird erstmalig die Herstellung atomar scharfer Grenzflächen mit sehr geringer Defektdichte selbst bei sehr niedrigen Wachstumsdrücken belegt und erstmals auch direkt elektronenmikroskopisch nachgewiesen. Es werden allenfalls vernachlässigbare Effekte der Sauerstoffkonzentration auf charakteristische, strukturelle Merkmale der Probe beobachtet. Desweiteren zeigt diese Arbeit erstmalig eine von den Wachstumsbedingungen abhängige Gitterverzerrung des Films, was in Übereinstimmung mit Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie einen Hinweis auf ein komplexes Zusammenspiel von elektronischer Rekonstruktion, Sauerstofffehlstellen an der LaAlO\(_3\)-Oberfläche und einer Verzerrung der Kristallstruktur als Ursache für die Entstehung des 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) liefert. > > Neben der mikroskopischen Analyse des 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) wird die elektronische Struktur dieses Systems zudem mithilfe der resonanten inelastischen Röntgenstreuung charakterisiert. Die vorliegende Dissertation zeigt dabei, neben dem Nachweis lokalisierter Ladungsträger vor dem Einsetzen metallischen Verhaltens ab einer kritischen Schichtdicke von vier Einheitszellen, die Existenz eines Raman- und eines fluoreszenzartigen Signals in Abhängigkeit der verwendeten Photonenenergie, was wiederum auf einen unterschiedlichen elektronischen Charakter im Zwischenzustand zurückgeführt werden kann. Gestützt wird diese Interpretation durch vergleichbare Messungen an γ- Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\). In diesem System finden sich zudem ebenfalls Anzeichen lokalisierter Ladungsträger unterhalb der kritischen Schichtdicke für metallisches Verhalten, was ein Hinweis auf einen mit LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) vergleichbaren Grundzustand sein könnte. > > Weitere Messungen mithilfe der resonanten Photoelektronenspektroskopie ermöglichen zudem eine direkte Beobachtung und Analyse der Ti 3d-Valenzelektronen. Messungen an LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) und γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) liefern dabei Hinweise auf verschiedene elektronische Ti 3d-artige Zustände. Diese werden zum einen den mobilen Ladungsträgern des 2DES zugeschrieben, zum anderen als lokalisierte Elektronen in der Nähe von Sauerstofffehlstellen identifiziert. Eine Analyse des Resonanzverhaltens sowie der spektralen Form der beobachteten Signale zeigt quantitative Unterschiede, was auf einen unterschiedlichen treibenden Mechanismus in beiden Systemen hindeutet und im Hin- blick auf den Einfluss von Sauerstofffehlstellen auf das System diskutiert wird. Zudem zeigen impulsaufgelöste Messungen der Zustände am chemischen Potential eine unterschiedliche Intensitätsverteilung im k -Raum. Dies wird im Zusammenhang mit Matrixelementeffekten diskutiert und kann vermutlich auf Photoelektronendiffraktion bedingt durch die unterschiedliche Kristallstruktur des Filmmaterials, zurückgeführt werden. / > Oxide heterostructures can exhibit a variety of unexpected electronic and magnetic phenomena at their interfaces. A prominent example is the interface in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures where a two-dimensional electron system (2DES) forms if the LaAlO\(_3\) thickness equals or exceeds a critical thickness of four unit cells. Similar to LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) an interface 2DES above a critical overlayer thickness has been observed in γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\). However, the electron mobility as well as the sheet carrier density exceed those of LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures by more than one order of magnitude. This thesis is concerned with the growth and the characterization of these two types of interface systems with the main focus on the analysis of the physical properties at the interface and the understanding of their leading mechanisms. > > In regard to the sample fabrication it is demonstrated in the present thesis that the hitherto established growth routine of LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) by pulsed laser deposition has to be altered and optimized for the growth of γ-Al\(_2\)O\(_3\). It is shown that growth monitoring by analyzing reflection high energy electron diffraction (RHEED)intensity oscillations is hindered by the formation of surface wave resonances. In order to avoid this effect, a modified growth geometry has to be used whereby also in this heterostructucture systems monitoring of the layer-by-layer growth of γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures by electron diffraction can be achieved. > > A so-called electronic reconstruction is discussed as the possible driving mechanism for the 2DES formation in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\). In this scenario, the built-up potential within the polar LaAlO\(_3\) overlayer is compensated by a charge transfer from the sample surface to the top most layers of the non-polar SrTiO\(_3\) substrate. Furthermore, the properties of these heterostructures strongly depend on the used growth conditions. In the present work, for instance, a significant increase in the charge carrier concentration as well as the 2DES spatial extension can be observed for samples grown at very low oxygen pressures, which is related to the creation of oxygen vacancies in SrTiO\(_3\) substrate. It is microscopically shown for the first time that sharp interfaces with a very low density of defects can also be grown at very low oxygen partial pressures. In addition, no significant effect of oxygen vacancies on specific structural properties is seen. Furthermore, a detailed analysis of the atomic spacing reveales a lattice distortion within the LaAlO\(_3\) film which shows a significant dependence on the used growth parameters and, supported by density functional theory, points towards a complex interplay of electronic reconstruction, surface oxygen vacancies and lattice distortions as the driving mechanism for the 2DES formation. > > Beside the study of the structural properties of the interface in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures by means of transmission electron microscopy, the electronic structure of the 2DES is analyzed by resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) measurements which show clear indications for localized charge carriers below the critical thickness for conductivity of four unit cells. Moreover, a Raman- and a fluorescence-like signal can be identified by excitation energy dependent RIXS and attributed to the electronic character of the intermediate state. Similar results are obtained on γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures which fortifies this interpretation and could be a hint for a similar ground state in both heterostructures and interface magnetism also to be present in this system. > > By using resonant photoelectron spectroscopy the Ti 3d valence electrons can directly be observed and analyzed. Comparative measurements on LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) and γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\) indicate the existence of different types of electronic states with Ti 3d character in both systems which can be attributed to mobile carriers forming the 2DES and carriers localized in states adjacent to oxygen vacancies. By analyzing the resonance behavior of the electronic states and their relative intensities and spectral shape substantial differences are revealed which point to a different mechanism at play for forming the 2DES in LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) and γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\). These observations are discussed in terms of the influence of oxygen vacancies on the two interface systems. Additionally, momentum-resolved measurements are performed to resolve the metallic states at the chemical potential and to map out the Fermi surface of LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) and γ-Al\(_2\)O\(_3\)/SrTiO\(_3\). Here, significantly different intensity distributions in k -space are observed and discussed with respect to matrix element effects while the results can most likely be ascribed to photoelectron diffraction due to the different crystal structure of the overlayer material

This thesis describes the growth and characterization of both the all-oxide heterostructure Fe3O4/ZnO and the spin-orbit coupling driven layered perovskite iridates. As for Fe3O4/ZnO, the 100% spin-polarized Fe3O4 is a promising spin electrode candidate for spintronic devices. However, the single crystalline ZnO substrates exhibit different polar surface termination which, together with substrate preparation method, can drastically affect the physical properties of Fe3O4/ZnO heterostructures. In this thesis two different methods of substrate preparation were investigated: a previously used in situ method involving sputtering and annealing treatments and a recent ex situ method containing only the annealing procedure. For the latter, the annealing treatment was performed in dry and humid O2 gas flow for the O- and Zn-terminated substrates, respectively, to produce atomically at surfaces as verified by atomic force microscopy(AFM). With these methods, four different ZnO substrates were fabricated and used further for Fe3O4 film growth. Fe3O4 films of 20 nm thickness were successfully grown by reactive molecular beam epitaxy. AFM measurements reveal a higher film surface roughness for the samples with in situ prepared substrates. Moreover, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements indicate significant Zn substitution within the Fe3O4 film for these samples, whereas the samples with ex situ prepared substrates show stoichiometric Fe3O4 films. X-ray diffraction measurements confirm the observations from XPS, revealing additional peaks due to Zn substitution in Fe3O4 films grown on in situ prepared ZnO substrates. Conductivity, as well as magnetometry, measurements show the presence of Zn-doped ferrites in films grown on in situ prepared substrates. Such unintentionally intercalated Zn-doped ferrites dramatically change the electrical and magnetic properties of the films and, therefore, are not preferred in a high-quality heterostructure. X-ray reflectivity (XRR) measurements show for the film grown on ex situ prepared Zn-terminated substrate a variation of film density close to the interface which is also confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Using polarized neutron reflectometry, magnetic depth profiles of the films grown on ex situ prepared substrates clearly indicate Fe3O4 layers with reduced magnetization at the interfaces. This result is consistent with earlier observations made by resonant magnetic X-ray reflectometry (RMXR), but in contrast to the findings from XRR and TEM of this thesis. A detailed TEM study of all four samples shows that the sample with ex situ prepared O-terminated substrate has the sharpest interface, whereas those with ex situ prepared Zn-terminated as well as in situ prepared substrates indicate rougher interfaces. STEM-EELS composition profiles of the samples reveal the Zn substitution in the films with in situ prepared substrates and therefore confirm the presence of Zn-doped ferrites. Moreover, a change of the Fe oxidation state of the first Fe layer at the interface which was observed in previous studies done by RMXR, was not verified for the samples with in situ prepared substrates thus leaving the question of a possible presence of the magnetically dead layer open. Furthermore, density functional theory calculations were performed to determine the termination dependent layer sequences which are ...-Zn-O-(interface)-[Fe(octa)-O-Fe(tetra)-Fe(octa)-Fe(tetra)-O]-[...]-... and ...-O-Zn-(interface)-[O-Fe(octa)-O-Fe(tetra)-Fe(octa)-Fe(tetra)]-[...]-... for the samples with O- and Zn-terminated substrates, respectively. Spin density calculations show that in case of O-termination the topmost substrate layers imitate the spin polarization of film layers close to the interface. Here, the first O layer is affected much stronger than the first Zn layer. Due to the strong decrease of this effect toward deeper substrate layers, the substrate surface is supposed to be sensitive to the contiguous spin polarization of the film. Thus, the topmost O layer of the O-terminated substrate could play the most essential role for effective spin injection into ZnO. The 5d transition metal oxides Ba2IrO4 (BIO) and Sr2IrO4 (SIO) are associated with the Ruddlesden-Popper iridate series with phase type "214" (RP{214), and due to the strong spin-orbit coupling belong to the class of Mott insulators. Moreover, they show many similarities of the isostructural high Tc-cuprate superconductors, e.g. crystal structure, magnetism and electronic band structure. Therefore, it is of great interest to activate a potential superconducting phase in (RP{214) iridates. However, only a small number of publications on PLD grown (RP{214) iridates in the literature exists. Furthermore, published data of soft X-ray angle resolved photoemission spectroscopy (SX-ARPES) experiments mainly originate from measurements which were performed on single crystals or MBE grown films of SIO and BIO. In this thesis La-doped SIO films (La0:2Sr1:8IrO4, further referred as LSIO) were used to pursue a potential superconducting phase. A set of characterization methods was used to analyze the quality of the PLD grown BIO, SIO and LSIO films. AFM measurements demonstrate that thick PLD grown(RP{214) iridate films have rougher surfaces, indicating a transition from a 2D layer-bylayer growth (which is demonstrated by RHEED oscillations) to a 3D island-like growth mode. In addition, chemical depth profiling XPS measurements indicate an increase of the O and Ir relative concentrations in the topmost film layers. Constant energy k-space maps and energy distribution curves (EDCs) measured by SX-ARPES show for every grown film only weak energy band dispersions, which are in strong contrast to the results obtained on the MBE grown films and single crystals from the literature. In this thesis, a subsequent TEM study reveals missing SrO layers within the grown films which occur mainly in the topmost layers, confirming the results and suggestions from XPS and SX-ARPES data: the PLD grown films have defects and, therefore, incoherently scatter photoelectrons. Nevertheless, the LSIO film shows small additional spectral weight between the highsymmetry M points close to the Fermi level which can be attributed to quasiparticle states which, in turn, indicates the formation of a Fermi-arc. However, neither conductivity measurements nor valence band analysis via XPS confirm an activation of a superconducting phase or presence of spectral weight of quasiparticle states at the Fermi level in this LSIO film. It is possible that these discovered difficulties in growth are responsible for the low number of SX-ARPES publications on PLD grown (RP{214) iridate films. For further investigations of (RP{214) iridate films by SX-ARPES, their PLD growth recipes have to be improved to create high quality single crystalline films without imperfections. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung der oxidischen Heterostruktur Fe3O4/ZnO sowie der durch Spin-Bahn-Kopplung angetriebenen, aus Perowskitlagen geschichteten Iridate. In Bezug auf Fe3O4/ZnO, ist das zu 100% spinpolarisierte Magnetit ein vielversprechender Kandidat, um als Spinelektrode in Spintronikbauteilen eingesetzt zu werden. Die einkristallinen ZnO Substrate besitzen auf deren Oberflächen jedoch unterschiedlich polare Terminierungen, welche, zusammen mit dem verwendeten Verfahren für die Substratpraparation, die physikalischen Eigenschaften von Fe3O4/ZnO Heterostrukturen drastisch beeinflussen können. In dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Verfahren für die Substratpräparation untersucht: zum einen ein bereits früher verwendetes in situ Verfahren, das eine Sputter- und Temperbehandlung beinhaltet, zum anderen ein neues ex situ Verfahren, das ausschließlich aus einer Temperbehandlung besteht. Im letzteren Fall wurde für O- und Zn-terminierte Substrate die Temperbehandlung entsprechend in trockener und feuchter O2 Atmosphäre durchgeführt, um atomar glatte Oberflächen zu erzielen. Dies wurde mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) verifiziert. Mit diesen Verfahren wurden vier verschiedene ZnO Substrate hergestellt und anschließend für das Fe3O4 Filmwachstum verwendet. 20 nm dicke Fe3O4 Filme wurden mithilfe der reaktiven Molekularstrahlepitaxie erfolgreich gewachsen. AFM Messungen zeigen, dass die Proben mit in situ präparierten Substraten eine höhere Rauigkeit der Filmoberfläche besitzen. Des Weiteren zeigen Messungen mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) fü diese Proben eine signifikante Zn-Substitution innerhalb des Fe3O4 Films, wohingegen Proben mit ex situ präparierten Substraten stöchiometrisch gewachsene Filme vorweisen. Messungen mit Röntgenbeugung bestätigen die Beobachtungen aus XPS, indem sie zusätzliche Peaks aufdecken, welche aufgrund der Zn-Substitution in den Fe3O4 Filmen mit in situ präparierten Substraten entstehen. Sowohl Leitfähigkeits- als auch Magnetometriemessungen zeigen, dass Zn-dotierte Ferrite in den Filmen mit in situ präparierten Substraten vorhanden sind. Solche unabsichtlich eingelagerten Zn-dotierten Ferrite ändern die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Filme grundlegend und sind aus diesem Grund für die gewünschte Qualität der Heterostruktur schädlich. Für die Filme mit Zn-terminierten ex situ präparierten Substraten zeigen XRR Messun- gen eine Veränderung der Dichte des Films in Grenzschichtnähe an, die auch mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestätigt wird. Unter Verwendung der polarisierten Neutronenreflektometrie zeigen die magnetischen Tiefenprofile der Filme mit ex situ präparierten Substraten eindeutig Fe3O4 Lagen mit reduzierter Magnetisierung an der Grenzschicht an. Dieses Resultat ist vereinbar mit früheren Beobachtungen aus der resonanten magnetischen Röntgenreflektometrie (RMXR), das jedoch im Gegensatz zu den Ergebnissen aus XRR und TEM aus dieser Arbeit steht. Eine detaillierte TEM Studie über alle vier Proben demonstriert, dass die Probe mit O-terminiertem ex situ präpariertem Substrat die schärfste Grenzschicht aufweist, während jene mit in situ präparierten sowie Zn-terminierten ex situ präparierten Substraten rauere Grenzschichten anzeigen. STEM-EELS Kompositionsprofile der Proben lassen die Zn-Substitution in den Filmen mit in situ präparierten Substraten erkennen und bestätigen somit die Präsenz von Zn-dotierten Ferriten. Außerdem wurde eine Ä nderung des Oxidationszustandes von Fe in den ersten Fe Lagen an der Grenzschicht, das in früheren Studien mithilfe RMXR beobachtet wurde, bei den Proben mit in situ präparierten Substraten nicht bestätigt. Dadurch bleibt die Frage nach der möglichen Präsenz einer magnetisch toten Schicht offen. Weiterhin wurden mithilfe der Dichtefunktionaltheorie Rechnungen durchgeführt, um die terminierungsabhängige Lagenabfolge zu bestimmen, welche ...-Zn-O-(interface)- [Fe(octa)-O-Fe(tetra)-Fe(octa)-Fe(tetra)-O]-[...]-... und ...-O-Zn-(interface)-[O-Fe(octa)- O-Fe(tetra)-Fe(octa)-Fe(tetra)]-[...]-... entsprechend für die Proben mit O- und Zn- terminierten Substraten sind. Rechnungen zur Spindichte zeigen, dass im Fall von O- Terminierung die obersten Substratlagen die Spinpolarisation der Filmlagen nahe an der Grenzschicht nachahmen. Hierbei ist die erste O Lage viel stärker beeinflusst als die erste Zn Lage. Aufgrund der starken Abnahme dieses Effekts Richtung tiefere Substratlagen wird die Substratoberfläche als besonders sensitiv auf die angrenzende Spinpolarisation des Films angenommen. Damit könnte die oberste O Lage des O-terminierten Substrates den entscheidensten Faktor für effektive Spininjektion ins ZnO spielen. Die 5d Übergangsmetalloxide Ba2IrO4 (BIO) und Sr2IrO4 (SIO) hängen mit der Ruddles- den-Popper Iridatserie mit Phasentyp ”214” (RP–214) zusammen und gehören aufgrund der starken Spin-Bahn-Kopplung zu der Klasse der Mott Isolatoren. Zudem haben sie viele Gemeinsamkeiten mit den isostrukturellen Kuprat-Hochtemperatursupraleitern, wie zum Beispiel Kristallstruktur, Magnetismus und elektronische Bandstruktur. Daher ist es von großem Interesse eine potentiell supraleitende Phase in (RP–214) Iridaten zu aktivieren. In der Literatur existiert jedoch nur eine kleine Anzahl an Ver¨offentlichungen über gepulste Laserdeposition (PLD) gewachsene (RP–214) Iridate. Außerdem stammen veröffentlichte Daten von Experimenten mit winkelaufgelöster Photoelektronen- spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung (SX-ARPES) hauptsächlich von Messungen, welche an Einkristallen oder MBE gewachsenen Filmen aus SIO und BIO durchgeführt wurden. In dieser Arbeit wurden La-dotierte SIO Filme (La0.2Sr1.8IrO4, im Weiteren bezeichnet als LSIO) verwendet, um eine potentiell supraleitende Phase anzustreben. Ein Satz von Charakterisierungsmethoden wurde verwendet, um die Qualität der PLD gewachsenen BIO, SIO und LSIO Filme zu untersuchen. AFM Messungen demonstrieren, dass dicke PLD gewachsene (RP–214) Iridatfilme rauere Oberfl¨achen aufweisen, welche durch einen Übergang vom 2D Lagenwachstum (der durch RHEED Oszillationen bekräftigt ist) zu einem 3D Inselwachstumsmodus erklärt werden. Zusätzlich zeigen chemische Tiefenprofilmessungen mittels XPS eine Zunahme der relativen Konzentrationen von O und Ir in den obersten Filmlagen. Die mit SX-ARPES erzeugten k-Raum Abbildungen mit konstanter Energie und Energieverteilungskurven (EDCs) zeigen für jeden gewachsenen Film nur schwache Energiebanddispersionen, die im starken Gegensatz zu den Resultaten aus der Literatur stehen, welche von MBE gewachsenen Filmen und Einkristallen erhalten wurden. Die darauf folgende TEM Studie in dieser Arbeit enthüllte fehlende SrO Lagen innerhalb der gewachsenen Filme, die vor allem in den obersten Lagen auftreten und bestätigte damit die Resultate und Vermutungen aus den XPS und SX-ARPES Daten: die PLD gewachsenen Filme besitzen Defekte und streuen somit die Photoelektronen inkohärent. Dennoch zeigt der LSIO Film kleines zusätzliches spektrales Gewicht zwischen den M Hochsymmetriepunkten nahe der Fermienergie, das einem Quasipartikelzustand zugeordnet werden kann, der wiederum die Ausbildung eines Fermibogens anzeigt. Aber weder Leitfähigkeitsmessungen noch Valenzbandanalysen mittels XPS bestätigen für diesen LSIO Film die Aktivierung einer supraleitenden Phase oder das Vorhandensein von spektralem Gewicht von Quasipartikelzuständen an der Fer- mienergie. Es kann sein, dass diese entdeckten Schwierigkeiten im Wachstum für die geringe An- zahl von SX-ARPES Publikationen über PLD gewachsene (RP–214) Iridatfilme verantwortlich sind. Für weitere Untersuchungen von (RP–214) Iridatfilmen mittels SX- ARPES müssen die Rezepte für deren PLD Wachstum verbessert werden, um hochqualitative einkristalline Iridatfilme ohne Fehlstellen zu erzeugen.

In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften verschiedener 3d-Übergangsmetalloxidketten (TMO-Ketten) auf Ir(001) und Pt(001) untersucht. Diese weisen eine (3 × 1) Struktur mit periodisch angeordneten Ketten auf, die nur über die Sauerstoffbindung an das Substrat gekoppelt sind. Während die Struktur durch experimentelle und theoretische Untersuchungen bestätigt ist, liegen für die magnetischen Eigenschaften ausschließlich Rechnungen vor. Zur Überprüfung dieser theoretischen Vorhersagen wird die Methode der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) verwendet, die die Abbildung der magnetischen Ordnung mit atomarer Auflösung erlaubt. Die Untersuchungen beginnen mit der Vorstellung der Ir(001) Oberfläche, die eine (5 × 1) Rekonstruktion aufweist. Eine Aufhebung dieser Rekonstruktion erreicht man durch das Heizen des Ir-Substrats in Sauerstoffatmosphäre unter Bildung einer (2 × 1) Sauerstoffrekonstruktion. Die Qualität der Oberfläche hängt dabei von der Wachstumstemperatur T und dem verwendeten Sauerstoffdruck pOx ab. Die bei T = 550°C und pOx = 1 × 10^−8 mbar hergestellte Sauerstoffrektonstruktion dient als Ausgangspunkt für die folgenden Präparationen von CoO2, FeO2 und MnO2-Ketten. Dazu wird jeweils eine drittel Monolage (ML) des Übergangsmetalls auf die Oberfläche des Substrates gedampft und die Probe unter Sauerstoffatmosphäre ein weiteres Mal geheizt. Auf diese Weise kann die (3 × 1) Struktur der bekannten Ketten bestätigt und die Gruppe der TMO-Ketten um die CrO2-Ketten erweitert werden. In der einschlägigen Fachliteratur wurden Vorhersagen bezüglich der magnetischen Struktur der TMO-Ketten publiziert, wonach entlang und zwischen CoO2-Ketten eine ferromagnetische (FM) und für FeO2 und MnO2-Ketten eine antiferromagnetische (AFM-) Kopplung vorliegt.Während die Überprüfung dieser Vorhersagen mit SP-STM für CoO2 und CrO2-Ketten keine Hinweise auf magnetische Strukturen liefert, liegen bei FeO2 und MnO2-Ketten unterschiedliche magnetische Phasen vor. In der Tat kann mit den experimentell gefundenen Einheitszellen die AFM-Kopplung entlang beider Ketten bestätigt werden. Im Gegensatz widersprechen die Kopplungen zwischen den Ketten den Berechnungen. Bei FeO2-Ketten liegt eine stabile FM Ordnung vor, die zu einer magnetischen (3 × 2) Einheitszelle mit einer leichten Magnetisierung in Richtung der Oberflächennormalen führt (out-of-plane). Die MnO2-Ketten weichen ebenfalls von der berechneten magnetischen kollinearen Ordnung zwischen benachbarten Ketten ab und zeigen eine chirale Struktur. Durch die Rotation der Mn-Spins um 120° in der Probenebenen (in-plane) entsteht eine magnetische (9 × 2) Einheitszelle, deren Periode durch neue DFT-Rechnungen bestätigt wird. Nach diesen Berechnungen handelt es sich um eine Spinspirale, die durch die Dzyaloshinskii-Moriya (DM-) Wechselwirkung bei einem Energiegewinn von 0,3 meV pro Mn-Atom gegenüber den kollinearen FM Zustand stabilisiert wird. Diese wird ähnlich wie bei bereits publizierten Clustern und Adatomen auf Pt(111) durch die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY-) Wechselwirkung vermittelt und erklärt den experimentell gefundenen einheitlichen Drehsinn der Spiralen. Die RKKY-Wechselwirkung zeigt eine starke Abhängigkeit von der Fermi-Oberfläche des Substrats. Im folgenden Kapitel werden deshalb mit TMO-Ketten auf Pt(001) die strukturellen und magnetischen Eigenschaften auf einem weiteren Substrat analysiert, wobei zum Zeitpunkt der Arbeit nur die Existenz der CoO2-Ketten aus der Literatur bekannt war. Vergleichbar mit Ir(001) besitzt auch Pt(001) eine rekonstruierte Oberfläche, die sich aber stabil gegenüber Oxidation zeigt. Dadurch muss die drittel ML des Übergangsmetalls direkt auf die Rekonstruktion aufgedampft werden. Das Wachstum des Übergangsmetalls ist dabei von der Temperatur des Substrats abhängig und beeinflusst das Ergebnis der nachfolgenden Oxidation. Diese erfolgt analog zum Wachstum der Ketten auf Ir(001) durch das Heizen der Probe in Sauerstoffatmosphäre und resultiert nur für das Aufdampfen des Übergangsmetalls auf kalte Pt(001) Oberflächen in Ketten mit der Periode von 3aPt. Auf diese Weise kann nicht nur die (3 × 1) Struktur der CoO2-Ketten bestätigt werden, sondern auch durch atomare Auflösung die Gruppe der TMO-Ketten um MnO2-Ketten auf Pt(001) erweitert werden. Im Gegensatz dazu sind die nicht magnetischen Messungen im Fall von Fe nicht eindeutig. Zwar liegen auch hier Ketten im Abstand des dreifachen Pt Gittervektors vor, trotzdem ist die (3 × 1) Struktur nicht nachweisbar. Dies liegt an einer Korrugation mit einer Periode von 2aPt entlang der Ketten, was ein Hinweis auf eine Peierls Instabilität sein kann. Entsprechend dem Vorgehen für Ir(001) werden für die TMO-Ketten auf Pt(001) SP-STM Messungen durchgeführt und die Vorhersage einer AFM-Kopplung für CoO2-Ketten überprüft. Auch hier können, wie im Fall von CoO2-Ketten und im Widerspruch zur Vorhersage, für beide Polarisationsrichtungen der Spitze keine magnetischen Strukturen gefunden werden. Darüber hinaus verhalten sich die MnO2-Ketten auf Pt(001) mit ihrer chiralen magnetischen Struktur ähnlich zu denen auf Ir(001). Dies bestätigt die Annahme einer indirekten DM-Wechselwirkung, wobei durch die 72° Rotation der Mn-Spins eine längere Periode der zykloidalen Spinspirale festgestellt wird. Die Erklärung dafür liegt in der Abhängigkeit der RKKY-Wechselwirkung vom Fermi-Wellenvektor des Substrats, während sich die DM-Wechselwirkung beim Übergang von Ir zu Pt nur wenig ändert. / In this work the structural and magnetic properties of various 3d transition-metal oxide (TMO) chains on Ir(001) and Pt(001) are investigated. These exhibit a (3 × 1) structure with periodically arranged chains that are only coupled to the substrate by oxygen bonds. While the structure is confirmed by experiments and theory, the magnetic coupling is merely available by theory. To verify these theoretical predictions, the method of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) is used, which enables the detection of magnetic nanostructures by the high lateral resolution. First the Ir(001) surface is introduced, which exhibits a (5×1) reconstruction. Removal of this reconstruction is achieved by heating the Ir substrate in oxygen atmosphere to form a (2 × 1) oxygen reconstruction. The observed surface quality depends on both, the temperature T and the oxygen pressure pOx during growth. The best result is achieved with T = 550°C and pOx = 1 × 10^−8 mbar and thus serves as the starting point for the following preparations of CoO2, FeO2 and MnO2 chains. In each case one third of the monolayer (ML) of the transition-metal is evaporated onto the substrate and the sample is heated once more under an oxygen atmosphere. After this procedure not only the (3 × 1) structure of the known chain system is confirmed, but also the group of TMO chains could be extended by the CrO2 chains. In the literature, predictions have been published regarding the magnetic structure of the TMO chains. According to these, the coupling is ferromagnetic (FM) along and between CoO2 chains and antiferromagnetic (AFM) for FeO2 and MnO2 chains. While SP—STM results do not suggest a magnetic structure for CoO2 and CrO2, the measurements reveal magnetic structures for FeO2 and MnO2 chains. Comparing the calculations with the experimentally observed magnetic order, the AFM coupling along both TMO—chains can be confirmed. Contradictory to the theoretical predictions, the interchain coupling differs. For FeO2 chains we find stable FM coupling which lead to a magnetic (3 × 2) unit cell with an easy magnetization direction parallel to the surface normal (out-of-plane). The MnO2 also deviate from the calculated collinear order between adjacent chains and show a chiral system. The in-plane rotation of the Mn spins by 120° form a magnetic (9 × 2) unit cell whose period is confirmed by new DFT calculations. According to these calculations, the spin spiral is stabilized by the Dzyaloshinskii—Moriya interaction (DMI) with an energy gain of 0,3 meV per Mn atom with respect to the collinear FM state. Similar to already published systems consisting of magnetic clusters and adatoms on a Pt(111) surface, the DMI is mediated by the Rudermann—Kittel—Kasuya—Yoshida (RKKY) interaction and explains the experimentally found uniform direction of rotation of the spirals. The RKKY interaction depends on the Fermi surface of the substrate. Based on this fact, the growth of TMO chains is investigated in the following chapter, where only the existence of CoO2 chains is known from literature at the time of this work. Similar to Ir(001), Pt(001) also has a reconstructed surface that is now stable to oxidation. As a consequence, the transition-metal is evaporated directly on the reconstructed surface. Both the growth of the transition metal on the Pt(001) and the topography after the following growth procedure of TMO chains depend on the substrate temperature during evaporation. This procedure follows the TMO growth on Ir(001) by heating the sample in oxygen atmosphere and only results in a stripe pattern with a period of 3aPt for the evaporation on cold Pt(001). In this way not only the (3 × 1) structure of the CoO2 can be confirmed, but also the group of TMO chains is extended by MnO2 chains through atomic resolution scans. In contrast, the non-magnetic measurements in the case of Fe are not obvious. Although there are chains with the expected period of 3aPt, the (3 × 1) structure is not fully resolved along the chains due to a corrugation with a period of 2aPt along the chains, which could be an indication of a Peierls instability. Following the procedure for Ir(001) SP-STM investigations are performed to verify the prediction of an AFM coupling for CoO2 chains. Indeed, no magnetic structures of CoO2 chains are observed for both directions of tip polarization identical to the same chains on Ir(001). In addition, the MnO2 chains with their chiral magnetic structure on Pt(001) behave similarly to those on Ir(001). This confirms the assumption of an indirect DM interacation, where the 72° rotation of the Mn spins indicates a longer period of the cycloidal spin spiral. The explanation for this can be found in the dependence of the RKKY interaction on the Fermi wave vector of the substrate, while the DM interaction changes only slightly due to the transition from Ir to Pt.

Due to their complex chemical structure transition metal oxides display many fascinating properties which conventional semiconductors lack. For this reason transition metal oxides hold a lot of promise for novel electronic functionalities. Just as in conventional semiconductor heterostructures, the interfaces between different materials play a key role in oxide electronics. The textbook example is the (001) interface between the band insulators LaAlO\(_3\) and SrTiO\(_3\) at which a two-dimensional electron system (2DES) forms. In order to utilize such a 2DES in prospective electronic devices, it is vital that the electronic properties of the interface can be controlled and manipulated at will. Employing photoelectron spectroscopy as well as electronic transport measurements, this thesis examines how such interface engineering can be realized in the case of the LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructure: By photoemission we manage to unambiguously distinguish the different mechanisms by which SrTiO\(_3\) can be doped with electrons. An electronic reconstruction is identified as the driving mechanism to render stoichiometric LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) interfaces metallic. The doping of the LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterointerface can furthermore be finely adjusted by changing the oxygen vacancy \(V_{\mathrm{O}}\) concentration in the heterostructure. Combining intense x-ray irradiation with oxygen dosing, we even achieve control over the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration and, consequently, the doping in the photoemission experiment itself. Exploiting this method, we investigate how the band diagram of SrTiO\(_3\)-based heterostructures changes as a function of the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration and temperature by hard x-ray photoemission spectroscopy. With the band bending in the SrTiO\(_3\) substrate changing as a function of the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration, the interfacial band alignment is found to vary as well. The relative permittivity of the SrTiO\(_3\) substrate and, in particular, its dependence on temperature and electric field is identified as one of the essential parameters determining the electronic interface properties. That is also why the sample temperature affects the charge carrier distribution. The mobile charge carriers are shown to shift toward the SrTiO\(_3\) bulk when the sample temperature is lowered. This effect is, however, only pronounced if the total charge carrier concentration is small. At high charge carrier concentrations the charge carriers are always confined to the interface, independent of the sample temperature. The dependence of the electronic interface properties on the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration is also investigated by a complementary method, viz. by electronic transport measurements. These experiments confirm that the mobile charge carrier concentration increases concomitantly to the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration. The mobility of the charge carriers changes as well depending on the \(V_{\mathrm{O}}\) concentration. Comparing spectroscopy and transport results, we are able to draw conclusions about the processes limiting the mobility in electronic transport. We furthermore build a memristor device from our LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructures and demonstrate how interface engineering is used in practice in such novel electronic applications. This thesis furthermore investigates how the electronic structure of the 2DES is affected by the interface topology: We show that, akin to the (001) LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterointerface, an electronic reconstruction also renders the (111) interface between LaAlO\(_3\) and SrTiO\(_3\) metallic. The change in interface topology becomes evident in the Fermi surface of the buried 2DES which is probed by soft x-ray photoemission. Based on the asymmetry in the Fermi surface, we estimate the extension of the conductive layer in the (111)-oriented LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\) heterostructure. The spectral function measured furthermore identifies the charge carriers at the interface as large polarons. / Aufgrund ihrer komplexen chemischen Struktur weisen Übergangsmetalloxide viele faszinierende Eigenschaften auf, die konventionelle Halbleitermaterialien entbehren und die Potenzial für neuartige elektronische Funktionalitäten bergen. Genauso wie in konventionellen Halbleiterstrukturen kommt dabei den Grenzflächen zwischen den Materialien besondere Bedeutung zu. In der Oxid-Elektronik ist ein Paradebeispiel hierfür die (001)-Grenzfläche zwischen den Bandisolatoren LaAlO\(_3\) und SrTiO\(_3\), an der sich ein zweidimensionales Elektronensystem (2DES) ausbildet. Um solche Elektronensysteme zukünftig in elektronischen Anwendungen zu nutzen, ist es jedoch unabdingbar, dass die elektronischen Eigenschaften der Grenzfläche gezielt kontrolliert und manipuliert werden können. Mittels Photoelektronenspektroskopie sowie Transportmessungen untersucht diese Arbeit am Beispiel der LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\)-Grenzfläche, wie eine derartige Kontrolle realisiert werden kann. Mithilfe von Photoemissionsexperimenten gelingt es, verschiedene Mechanismen zu unterscheiden, mit denen SrTiO\(_3\) dotiert werden kann. In stöchiometrischen LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\)-Heterostrukturen kann so die elektronische Rekonstruktion als treibender Mechanismus identifiziert werden, der zur Ausbildung der leitfähigen Grenzschicht führt. Die Dotierung der LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\)-Heterostruktur kann weiterhin auch durch die kontrollierte Erzeugung von Sauerstofffehlstellen \(V_{\mathrm{O}}\) gezielt gesteuert werden. Die \(V_{\mathrm{O}}\)-Konzentration kann sogar während der Photoemissionsexperimente zielgerichtet variiert werden, wenn die Bestrahlung mit intensivem Röntgenlicht mit einer Sauerstoffbehandlung kombiniert wird. Diese Methode nutzen wir in Folge aus, um in Photoemissionsmessungen mit harter Röntgenstrahlung systematisch zu untersuchen, wie sich das Banddiagramm von SrTiO\(_3\)-basierten Heterostrukturen als Funktion der \(V_{\mathrm{O}}\)-Konzentration und Temperatur ändert. Wir zeigen, dass sich parallel zur Bandverbiegung im SrTiO\(_3\)-Substrat auch die Bandanordnung an der Grenzfläche als Funktion der \(V_{\mathrm{O}}\)-Konzentration ändert. Dabei stellt sich heraus, dass die dielektrische Funktion des SrTiO\(_3\)-Substrats - insbesondere durch ihre starke Abhängigkeit vom elektrischen Feld und Temperatur - maßgeblich die elektronischen Eigenschaften der Grenzfläche bestimmt. Aus diesem Grund hat die Temperatur der Probe Einfluss auf die Ladungsträgerverteilung. Die mobilen Ladungsträger verschieben sich weg von der Grenzfläche tiefer in das Substrat, je niedriger die Temperatur gewählt wird. Dieser Effekt ist jedoch nur bei niedriger Dotierung zu beobachten. Bei hoher Dotierung ist das zweidimensionale Elektronensystem unabhängig von der Temperatur nahe der Grenzfläche lokalisiert. Die Abhängigkeit der elektronischen Eigenschaften von der \(V_{\mathrm{O}}\)-Konzentration wird auch komplementär im elektronischen Transport untersucht. Auch hier steigt die Ladungsträgerdichte simultan zur \(V_{\mathrm{O}}\)-Konzentration. Zugleich ändert sich auch die Mobilität der Ladungsträger. Der direkte Vergleich von Spektroskopie- und Transportmessungen erlaubt Rückschlüsse auf die Prozesse, die die Ladungsträgermobilität begrenzen. Am Beispiel eines LaAlO\(_3\)/SrTiO\(_3\)-basierten Memristors wird darüber hinaus praktisch demonstriert, wie die Kontrolle über die Grenzfläche in neuartigen elektronischen Anwendungen tatsächlich eingesetzt werden kann. Ferner untersucht diese Arbeit, wie die Topologie der Grenzfläche die elektronische Struktur des 2DES beeinflusst: Wir weisen nach, dass analog zur (001)-Grenzfläche auch die (111)-Grenzfläche zwischen LaAlO\(_3\) und SrTiO\(_3\) durch eine elektronische Rekonstruktion dotiert wird. Die Änderung in der Grenzflächentopologie zeigt sich deutlich in der Fermifläche des vergrabenen 2DES, die mittels resonanter Photoemission untersucht wird. Anhand der Asymmetrie der Fermifläche wird überdies die Ausdehnung des Elektronensystems abgeschätzt, wohingegen die Spektralfunktion Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung an der Grenzfläche liefert.

The rich phase diagram of transition metal oxides essentially roots in the many body physics arising from strong Coulomb interactions within the underlying electron system. Understanding such electronic correlation effects remains challenging for modern solid state physics, therefore experimental data is required for further progress in the field. For this reason, spectroscopic investigations of prototypical correlated materials are the scope of this thesis. The experimental methods focus on photoelectron spectroscopy, and the test materials are the correlated metal SrVO\(_3\) and the Mott insulator LaTiO\(_3\), both of which are fabricated as high quality thin films. In SrVO\(_3\) thin films, a reduction of the film thickness induces a dimensional crossover from the metallic into the Mott insulating phase. In this thesis, an extrinsic chemical contribution from a surface over-oxidation is revealed that emerges additionally to the intrinsic change of the effective bandwidth usually identified to drive the transition. The two contributions are successfully disentangled by applying a capping layer that prevents the oxidation, allowing for a clean view on the dimensional crossover in fully stoichiometric samples. Indeed, these stoichiometric layers exhibit a higher critical thickness for the onset of the metallic phase than the bare and therefore over-oxidized thin films. For LaTiO\(_3\) thin films, the tendency to over-oxidize is even stronger. An uncontrolled oxygen diffusion from the substrate into the film is found to corrupt the electronic properties of LaTiO\(_3\) layers grown on SrTiO\(_3\). The Mott insulating phase is only detected in stoichiometric films fabricated on more suitable DyScO\(_3\) substrates. In turn, it is demonstrated that a \(controlled\) incorporation of excess oxygen ions by increasing the oxygen growth pressure is an effective way of \(p\) doping the material which is used to drive the band filling induced Mott transition. Gaining control of the oxygen stoichiometry in both materials allows for a systematic investigation of correlation effects in general and of the Mott transition in particular. The investigations are realized by various photoelectron spectroscopy techniques that provide a deep insight into the electronic structure. Resonant photoemission not only gives access to the titanium and vanadium related partial density of states of the valence band features, but also shows how the corresponding signal is enhanced by tuning the photon energy to the \(L\) absorption threshold. The enhanced intensity turns out to be very helpful for probing the Fermi surface topology and band dispersions by means of angular-resolved photoemission. The resulting momentum resolved electronic structure verifies central points of the theoretical description of the Mott transition, viz. the renormalization of the band width and a constant Luttinger volume in a correlated metal as the Mott phase is approached. / Das reichhaltige Phasendiagramm von Übergansmetalloxiden ist im Wesentlichen auf Aspekte der Vielteilchenphysik zurückzuführen, welche durch starke Coulomb Wechselwirkungen im zugrundeliegenden Elektronensystem auftreten. Die Beschreibung solcher Korrelationseffekte stellt immernoch eine Herausforderung für die moderne Festkörperhysik dar, wobei für weitere Fortschritte experimentelle Daten nötig sind. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit spektroskopischen Untersuchungen an prototypischen korrelierten Materialien. Die experimentellen Methoden fokussieren sich dabei auf die Photoelektronenspektroskopie. Diese wird auf das korrelierte Metall SrVO\(_3\) und dem Mott Isolator LaTiO\(_3\) angewandt, welche beide als dünne Filme in hoher Qualität hergestellt werden. Eine Verkleinerung der Schichtdicke kann in SrVO\(_3\)-Dünnfilmen einen dimensionsgetriebenen Übergang von der metallischen in die Mott-isolierende Phase induzieren. In dieser Arbeit konnte der extrinsische Beitrag einer Oberflächenoxidation identifiziert werden, der zusätzlich zu den intrinsischen Veränderungen der effektiven Bandbreite, die für gewöhnlich als Grund für den Phasenübergang angeführt werden, auftritt. Durch das Aufbringen einer Deckschicht wird die Oxidation verhindert. So kann der dimensionsinduzierte Übergang ohne extrinsische Einflüsse in stöchiometrischen Proben untersucht werden, die tatsächlich eine höhere kritische Schichtdicke für das Einsetzen des metallischen Verhaltens aufweisen als die freiliegenden und damit überoxidierten Dünnfilme. Bei LaTiO\(_3\)-Dünnfilmen ist die Tendenz zur Überoxidation noch stärker. Eine unkontrollierte Diffusion von Sauerstoff aus dem Substrat in den Film verfälscht die elektronischen Eigenschaften von LaTiO\(_3\)-Schichten, die auf SrTiO\(_3\) gewachsen werden. Die Mott-isolierende Phase kann nur in stöchiometrischen Filmen stabilisiert werden, die auf geeigneteren DyScO\(_3\) Substraten hergestellt werden. Dahingegen kann eine \(kontrollierte\) \(p\)-Dotierung durch eine Erhöhung des Sauerstoffdrucks während des Wachstumsprozesses angewendet werden um den bandfüllungsinduzierten Mott-Übergang zu treiben. Die Kontrolle der Sauerstoffstöchiometrie in beiden Materialien erlaubt eine systematische Untersuchung von Korrelationseffekten im Allgemeinen und des Mott-Übergangs im Speziellen. Dies wird durch die Anwendung diverser spezialisierter Techniken der Photoelektronenspektroskopie realisiert, welche weitreichende Einblicke in die elektronische Struktur gewähren. Resonante Photoelektronenspektroskopie macht nicht nur die partielle Zustandsdichte mit Titan- und Vanadium-Charakter im Valenzband zugänglich, sondern zeigt auch, wie stark die zugehörigen Signale an der \(L\)-Absorptionskante verstärkt werden. Diese Intensitätsverstärkung erweist sich zudem als hilfreich bei der Untersuchung der Fermiflächentopologie und Banddispersion mittels winkelaufgelöster Phototemission. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse zur impulsaufgelösten, elektronischen Struktur bestätigen zentrale Punkte der theoretischen Beschreibung des Mott-Übergangs, nämlich eine Renormierung der Bandbreite und ein konstantes Luttingervolumen in einem korrelierten Metall, welches sich der Mott-Phase annähert.

Perovskite oxides are a very versatile material class with a large variety of outstanding physical properties. A subgroup of these compounds particularly tempting to investigate are oxides involving high-\(Z\) elements, where spin-orbit coupling is expected to give rise to new intriguing phases and potential application-relevant functionalities. This thesis deals with the preparation and characterization of two representatives of high-\(Z\) oxide sample systems based on KTaO\(_3\) and BaBiO\(_3\). KTaO\(_3\) is a band insulator with an electronic valence configuration of Ta 5\(d\)\(^0\) . It is shown that by pulsed laser deposition of a disordered LaAlO\(_3\) film on the KTaO\(_3\)(001) surface, through the creation of oxygen vacancies, a Ta 5\(d\)\(^{0+\(\delta\)}\) state is obtained in the upmost crystal layers of the substrate. In consequence a quasi two dimensional electron system (q2DES) with large spin-orbit coupling emerges at the heterointerface. Measurements of the Hall effect establish sheet carrier densities in the range of 0.1-1.2 10\(^{14}\) cm\(^2\), which can be controlled by the applied oxygen background pressure during deposition and the LaAlO\(_3\) film thickness. When compared to the prototypical oxide q2DESs based on SrTiO\(_3\) crystals, the investigated system exhibits exceptionally large carrier mobilities of up to 30 cm\(^2\)/Vs (7000 cm\(^2\)/Vs) at room temperature (below 10 K). Through a depth profiling by photoemission spectra of the Ta 4\(f\) core level it is shown that the majority of the Ta 5\(d\)\(^0\) charge carriers, consisting of mobile and localized electrons, is situated within 4 nm from the interface at low temperatures. Furthermore, the momentum-resolved electronic structure of the q2DES \(buried\) underneath the LaAlO\(_3\) film is probed by means of hard X-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy. It is inferred that, due to a strong confinement potential of the electrons, the band structure of the system is altered compared to \(n\)-doped bulk KTO. Despite the constraint of the electron movement along one direction, the Fermi surface exhibits a clear three dimensional momentum dependence, which is related to a depth extension of the conduction channels of at least 1 nm. The second material, BaBiO\(_3\), is a charge-ordered insulator, which has recently been predicted to emerge as a large-gap topological insulator upon \(n\)-doping. This study reports on the thin film growth of pristine BaBiO\(_3\) on Nb:SrTiO\(_3\)(001) substrates by means of pulsed laser deposition. The mechanism is identified that facilitates the development of epitaxial order in the heterostructure despite the presence of an extraordinary large lattice mismatch of 12 %. At the heterointerface, a structurally modified layer of about 1.7 nm thickness is formed that gradually relieves the in-plane strain and serves as the foundation of a relaxed BBO film. The thereupon formed lattice orders laterally in registry with the substrate with the orientation BaBiO\(_3\)(001)||SrTiO\(_3\)(001) by so-called domain matching, where 8 to 9 BaBiO\(_3\) unit cells align with 9 to 10 unit cells of the substrate. Through the optimization of the deposition conditions in regard to the cation stoichiometry and the structural lattice quality, BaBiO\(_3\) thin films with bulk-like electronic properties are obtained, as is inferred from a comparison of valence band spectra with density functional theory calculations. Finally, a spectroscopic survey of BaBiO\(_3\) samples of various thicknesses resolves that a recently discovered film thickness-controlled phase transition in BaBiO\(_3\) thin films can be traced back to the structural and concurrent stoichiometric modifications occuring in the initially formed lattice on top of the SrTiO\(_3\) substrate rather than being purely driven by the smaller spatial extent of the BBO lattice. / Komplexe Metalloxide mit Perowskitstruktur sind bekannt für ihre große Vielfalt einzigartiger physikalischer Eigenschaften. Eine interessante Untergruppe dieser Materialien sind Verbindungen von Elementen mit hoher Ordnungszahl \(Z\), in denen neue, durch Spin-Bahn Kopplung getriebene Phasen und anwendungsrelevante Funktionalitäten erwartet werden. Diese Arbeit handelt von der Präparation und Charakterisierung zweier Probensysteme, die auf eben solchen Materialien mit hoher \(Z\) basieren. KTaO\(_3\) ist ein Bandisolator, der im Grundzustand eine Ta 5\(d\)\(^0\) Valenz besitzt. Durch gepulste Laserdeposition von ungeordnetem LaAlO\(_3\) auf der KTaO\(_3\)(001) Oberfläche, werden die obersten Schichten des Substratkristalls durch die Erzeugung von Sauerstofffehlstellen dotiert. Es bildet sich ein quasi zweidimensionales metallisches Elektronensystem (q2DES) an der Grenzfläche der Heterostruktur aus. Messungen des Hall-Effekts ergeben Schichtladungsträgerdichten im Bereich von 0.1-1.2 10\(^{14}\) cm\(^2\), welche durch Anpassung des Sauerstoffhintergrunddrucks während der Deposition bzw. durch die Dicke der abgeschiedenen LaAlO\(_3\) Schicht beeinflusst werden können. Mit Werten von 30 cm\(^2\)/Vs (7000 cm\(^2\)/Vs) bei Raumtemperatur (unter 10 K), besitzt das q2DES in LaAlO\(_3\)/KTaO\(_3\) im Vergleich zu ähnlichen Elektronensystemen in SrTiO\(_3\) bemerkenswert große Ladungsträgerbeweglichkeiten. Aus dem Tiefenprofil des Photoemissionspektrums des Ta 4\(f\) Rumpfniveaus ergibt sich, dass sich der Großteil der Ta 5\(d\) Ladungsträger, bestehend aus mobilen und lokalisierten Elektronen, innerhalb einer Schicht von 4 nm Dicke befindet. Die Vermessung der elektronischen Bandstruktur des vergrabenen q2DES mit Hilfe winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie mit harter Röntgenstrahlung zeigt, dass das Elektronensystem, vermutlich wegen des starken Potentialgradients an der Grenzfläche, eine modifizierte elektronische Struktur gegenüber n-dotiertem Bulk-KTaO\(_3\) aufweist. Trotz der Einschränkung der Bewegung der Elektronen entlang einer Richtung, besitzt die Fermifläche des Systems eine dreidimensionale Struktur, woarus auf eine Tiefenausdehnung der metallischen Zustände von mindestens 1 nm geschlossen werden kann. Undotiertes BaBiO\(_3\) ist durch die Ausbildung einer Ladungsordnung isolierend. Unter Elektronendotierung gilt das Material als Kandidat für einen oxidischen topologischen Isolator. In dieser Studie wird die Deposition von BaBiO\(_3\) auf Nb:SrTiO\(_3\)(001) Substraten untersucht. Dabei wird der Mechanismus identifiziert, der epitaktisches Wachstum von BaBiO\(_3\), trotz einer Gitterfehlanpassung von 12 %, ermöglicht: Eine 1.7 nm dicke Lage mit abweichender Kristallstruktur an der Grenzfläche entkoppelt das Filmgitter vom Substrat, sodass darüber vollständig relaxiertes BaBiO\(_3\) aufwachsen kann. Dieses weist eine epitaktische Orientierung von BaBiO\(_3\)(001)||SrTiO\(_3\)(001) auf, die durch die Ausbildung von lateralen Gitterdomänen, bei denen 8 bzw. 9 BaBiO\(_3\) auf 9 bzw. 10 SrTiO\(_3\) Einheitszellen ausgerichtet sind, gewährleistet wird. Die Stoichiometrie und die strukturelle Qualität der BaBiO\(_3\) Filme werden durch eine systematische Anpassung der Depositionsbedingungen optimiert. Die Valenzbandstruktur der Proben stimmt gut mit Rechnungen der Dichtefunktionaltheorie überein, was darauf hindeutet, dass die Filme hinsichtlich der elektronischen Eigenschaften mit BaBiO\(_3\) Einkristallen vergleichbar sind. Eine abschließende Untersuchung eines schichtdickenabhängigen Phasenübergangs in BaBiO\(_3\) Dünnfilmen, von dem kürzlich in der Literatur berichtet wurde, belegt, dass dieser nicht allein auf die Ausdehnung des Kristallgitters, sondern auch auf strukturelle und stoichiometrische Modifikationen der untersten Filmlagen zurückzuführen ist.

Die eingereichte Dissertation befasst sich mit Übergangsmetalloxid-Nanostrukturen, wobei quasi-eindimensionale Materialien im Mittelpunkt stehen, z.B. Nanoröhren und Nanostäbe. Mittels Suszeptibilitäts- bzw. EELS-Messungen wurden magnetische und elektronische Eigenschaften verschiedener Nanoverbindungen untersucht. Zur weiteren Charakterisierung der Proben wurden außerdem Magnetisierungsmessungen (VSM, Pulsfeld), optische Spektroskopie, AC-Suszeptibilitätsmessungen, Messungen der spezifischen Wärme sowie NMR- und ESR-Experimente durchgeführt. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit sind Vanadiumoxid-Verbindungen, wobei Vanadiumoxid-Nanoröhren (VOxNT) aufgrund ihrer besonderen Morphologie eine Sonderstellung unter den vorgestellten Materialien besitzen. Suszeptibilitätsmessungen an den VOxNT offenbaren aktiviertes Verhalten bei Temperaturen T > 100 K, was auf V4+-Spindimere zurückgeführt werden kann. Zudem existieren quasi-freie V4+-Momente sowie längere Spinkettenfragmente, z.B. Trimere. Elektronische Anregungen im Valenzband können wahrscheinlich dem Platzwechsel von 3d-Elektronen zwischen V4+- und V5+-Plätzen innerhalb der gemischtvalenten V-O-Ebenen zugeschrieben werden. Durch Dotierung mit Alkalimetallen ist es möglich, die V 3d-Niveaus mit zusätzlichen Elektronen zu besetzen und dadurch die Vanadiumvalenz zu beeinflussen (V5+ -> V4+ -> V3+). Die dabei auftretenden stärkeren Coulombabstoßungen zwischen den V 3d-Elektronen beeinträchtigen die Mobilität der Ladungsträger. Ebenso wurde gezeigt, dass sich durch die Dotierung mit Ammoniak und anderen Übergangsmetallionen die Vanadiumvalenz sowie der Magnetismus der VOxNT beeinflussen lassen. Die Ergebnisse von weiteren Vanadiumoxid-Nanostrukturen - Co0.33V2O5, alpha-NaV2O5, VO2(B) sowie V3O7·H2O-Nanokristallen - zeigen, dass sehr unterschiedliches magnetisches Verhalten wie Paarbildung zwischen V4+-Spins, antiferromagnetisch gekoppelte Spinketten oder ein Phasenübergang zwischen zwei paramagnetischen Temperaturbereichen auf Nanoebene realisiert werden kann. Die magnetischen Eigenschaften von MnO2-Nanostäben sind durch starke Kopplungen und Frustration zwischen den Mn-Spins gekennzeichnet. Außerdem zeigt die Verbindung Merkmale eines Spinglases. Durch Dotierung mit Elektronen lässt sich bei diesem Material die Mn-Valenz verändern. Schließlich zeigen erste Charakterisierungsmessungen an übergangsmetalldotierten MoO3-Nanobändern paramagnetisches Verhalten dieser Systeme.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Analyse von oxidischen Nanostrukturen. Die Grundlage der Bauelemente stellt dabei die LaAlO3/SrTiO3-Heterostruktur dar. Hierbei entsteht an der Grenzfläche beider Übergangsmetalloxide ein quasi zweidimensionales Elektronengas, welches wiederum eine Fülle von beachtlichen Eigenschaften und Charakteristika zeigt. Mithilfe lithographischer Verfahren wurden zwei unterschiedliche Bauelemente verwirklicht. Dabei handelt es sich einerseits um einen planaren Nanodraht mit lateralen Gates, welcher auf der Probenoberfläche prozessiert wurde und eine bemerkenswerte Trialität aufweist. Dieses Bauelement kann unter anderem als ein herkömmlicher Feldeffekttransistor agieren, wobei der Ladungstransport durch die lateral angelegte Spannung manipuliert wird. Zusätzlich konnten auch Speichereigenschaften beobachtet werden, sodass das gesamte Bauelement als ein sogenannter Memristor fungieren kann. In diesem Fall hängt der Ladungstransport von der Elektronenakkumulation auf den lateralen potentialfreien Gates ab. Die Memristanz des Nanodrahts lässt sich unter anderem durch Lichtleistungen im Nanowattbereich und mithilfe von kurzen Spannungspulsen verändern. Darüber hinaus kann die Elektronenakkumulation auch in Form einer memkapazitiven Charakteristik beobachtet werden. Neben dem Nanodraht wurde auch eine Kreuzstruktur, die eine ergänzende ferromagnetischen Elektrode beinhaltet, realisiert. Mit diesem neuartigen Bauteil wird die Umwandlung zwischen Spin- und Ladungsströmen innerhalb der nanoskaligen Struktur untersucht. Hierbei wird die starke Spin-Bahn-Kopplung im quasi zweidimensionalen Elektronengas ausgenutzt. / The dissertation focuses on the analysis of oxide nanostructures. The basis of the devices consists of the LaAlO3/SrTiO3 heterostructure. A quasi two-dimensional electron gas is formed at the interface of the two transition metal oxides, which in turn exhibits a plethora of remarkable properties and characteristics. Two different components were realized using lithographic processes. The first is a planar nanowire with lateral gates, which was processed on the sample surface and exhibits remarkable triality. Among other things, this device can act as a conventional field-effect transistor, whereby the charge transport is manipulated by the laterally applied voltage. In addition, storage properties could also be observed, so that the entire component can function as a so-called memristor. In this case, the charge transport depends on the accumulation of electrons on the floating gates. The memristance of the nanowire can be altered using light power in the nanowatt range and with the aid of short voltage pulses. In addition, electron accumulation can also be observed in the form of a memcapacitive characteristic. In addition to the nanowire, a cross structure containing a complementary ferromagnetic electrode was also realized. This novel device is used to investigate the conversion between spin and charge currents within the nanoscale structure. Here, the strong spin-orbit coupling in the quasi two-dimensional electron gas is utilized.

This thesis covers different problems that arise due to crystal and pseudospin anisotropy present in 3d and 5d transition metal oxides. We demonstrate that the methods of computational quantum chemistry can be fruitfully used for quantitative studies of such problems. In Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 7 we show that it is possible to reliably calculate local multiplet splittings fully ab initio, and therefore help to assign peaks in experimental spectra to corresponding electronic states. In a situation of large number of peaks due to low local symmetry such assignment using semi-empirical methods can be very tedious and non-unique. Moreover, in Chapter 4 we present a computational scheme for calculating intensities as observed in the resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption experiments. In our scheme highly-excited core-hole states are calculated explicitly taking into account corresponding orbital relaxation and electron polarization. Computed Cu L-edge spectra for the Li2CuO2 compound reproduce all features present in experiment. Unbiased ab initio calculations allow us to unravel a delicate interplay between the distortion of the local ligand cage around the transition metal ions and the anisotropic electrostatic interactions due to second and farther coordination shells. As shown in Chapter 5 and Chapter 6 this interplay can lead to the counter intuitive multiplet structure, single-ion anisotropy, and magnetic g factors. The effect is quite general and may occur in compounds with large difference between charges of metal ions that form anisotropic environment around the transition metal, like Ir 4+ in plane versus Sr 2+ out of plane in the case of Sr2IrO4. An important aspect of the presented study is the mapping of the quantum chemistry results onto simpler physical models, namely extended Heisenberg model, providing an ab initio parametrization. In Chapter 5 we employ the effective Hamiltonian technique for extracting parameters of the anisotropic Heisenberg model with single-ion anisotropy in the case of quenched orbital moment and second-order spin-orbit coupling. Calculated strong easy-axis anisotropy of the same order of magnitude as the symmetric exchange is consistent with experimentally-observer all-in/all-out magnetic order. In Chapter 6 we introduce new flavour of the mapping procedure applicable to systems with first-order spin-orbit coupling, such as 5d 5 iridates based on analysis of the wavefunction and interaction with magnetic field. In Chapter 6 and Chapter 7 we use this new procedure to obtain parameters of the pseudospin anisotropic Heisenberg model. We find large antisymmetric exchange leading to the canted antiferromagnetic state in Sr2IrO4 and nearly ideal one-dimensional Heisenberg behaviour of the CaIrO3, both agree very well with experimental findings.

This thesis covers different problems that arise due to crystal and pseudospin anisotropy present in 3d and 5d transition metal oxides. We demonstrate that the methods of computational quantum chemistry can be fruitfully used for quantitative studies of such problems. In Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 7 we show that it is possible to reliably calculate local multiplet splittings fully ab initio, and therefore help to assign peaks in experimental spectra to corresponding electronic states. In a situation of large number of peaks due to low local symmetry such assignment using semi-empirical methods can be very tedious and non-unique. Moreover, in Chapter 4 we present a computational scheme for calculating intensities as observed in the resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption experiments. In our scheme highly-excited core-hole states are calculated explicitly taking into account corresponding orbital relaxation and electron polarization. Computed Cu L-edge spectra for the Li2CuO2 compound reproduce all features present in experiment. Unbiased ab initio calculations allow us to unravel a delicate interplay between the distortion of the local ligand cage around the transition metal ions and the anisotropic electrostatic interactions due to second and farther coordination shells. As shown in Chapter 5 and Chapter 6 this interplay can lead to the counter intuitive multiplet structure, single-ion anisotropy, and magnetic g factors. The effect is quite general and may occur in compounds with large difference between charges of metal ions that form anisotropic environment around the transition metal, like Ir 4+ in plane versus Sr 2+ out of plane in the case of Sr2IrO4. An important aspect of the presented study is the mapping of the quantum chemistry results onto simpler physical models, namely extended Heisenberg model, providing an ab initio parametrization. In Chapter 5 we employ the effective Hamiltonian technique for extracting parameters of the anisotropic Heisenberg model with single-ion anisotropy in the case of quenched orbital moment and second-order spin-orbit coupling. Calculated strong easy-axis anisotropy of the same order of magnitude as the symmetric exchange is consistent with experimentally-observer all-in/all-out magnetic order. In Chapter 6 we introduce new flavour of the mapping procedure applicable to systems with first-order spin-orbit coupling, such as 5d 5 iridates based on analysis of the wavefunction and interaction with magnetic field. In Chapter 6 and Chapter 7 we use this new procedure to obtain parameters of the pseudospin anisotropic Heisenberg model. We find large antisymmetric exchange leading to the canted antiferromagnetic state in Sr2IrO4 and nearly ideal one-dimensional Heisenberg behaviour of the CaIrO3, both agree very well with experimental findings.