Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Dünnfilmwachstum der ternären Oxide Na2IrO3, Li2IrO3, Y2Ir2O7 und YBiO3. All diesen oxidischen Materialien ist gemein, dass sie Verwirklichungen sogenannter Topologischer Isolatoren oder Spin-Flüssigkeiten sein könnten. Diese neuartigen Materiezustände versprechen eine zukünftige Anwendung in der Quantencomputation, in magnetischen Speichern und in elektrischen Geräten mit geringer Leistungsaufnahme. Die Herstellung der hier gezeigten Dünnfilme ist daher ein erster Schritt zur Umsetzung dieser Anwendungen in der Zukunft. Alle Dünnfilme werden mittels gepulster Laserplasmaabscheidung auf verschiedenen einkristallinen Substraten hergestellt. Die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Filme werden mittels etablierter experimenteller Verfahren wie Röntgenbeugung, spektroskopischer Ellipsometrie und elektrischenWiderstandsmessungen untersucht. Die strukturellen Eigenschaften von erstmalig in der Masterarbeit des Authors verwirklichten Na2IrO3-Dünnfilmen können durch Abscheidung einer ZnO-Zwischenschicht deutlich verbessert werden. Einkristalline Li2IrO3-Dünnfilme mit einer definierten Kristallausrichtung werden erstmalig hergestellt. Die Messung der dielektrischen Funktion gibt Einblick in elektronische Anregungen, die gut vergleichbar mit Li2IrO3-Einkristallen und verwandten Iridaten sind. Des Weiteren wird aus den Daten eine optische Energielücke von ungefähr 300 meV bestimmt. In Y2Ir2O7-Dünnfilmen wird eine mögliche (111)-Vorzugsorientierung in Wachstumsrichtung gefunden. Im Vergleich mit der chemischen Lösungsabscheidung zeigen die hier mittels gepulster Laserplasmaabscheidung hergestellten YBiO3-Dünnfilme eine definierte, biaxiale Kristallausrichtung in der Wachstumsebene bei einer deutlich höheren Schichtdicke. Über die gemessene dielektrische Funktion können eine direkte und indirekte Bandlücke bestimmt werden. Deren Größe gibt eine notwendige experimentelle Rückmeldung an theoretische Berechnungen der elektronischen Bandstruktur von YBiO3, welche zur Vorhersage der oben erwähnten, neuartigen Materiezuständen verwendet werden. Nach einer Einleitung und Motivation dieser Arbeit gibt das zweite Kapitel einen Überblick über den gegenwärtigen Forschungsstand der hier untersuchten Materialien. Die folgenden zwei Kapitel beschreiben die Probenherstellung und die verwendeten experimentellen Untersuchungsmethoden. Anschließend werden für jedes Material einzeln die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit diskutiert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick. / The present thesis reports on the thin film growth of ternary oxides Na2IrO3, Li2IrO3, Y2Ir2O7 and YBiO3. All of these oxides are candidate materials for the so-called topological insulator and spin liquid, respectively. These states of matter promise future application in quantum computation, and in magnetic memory and low-power electronic devices. The realization of the thin films presented here, thus represents a first step towards these future device applications. All thin films are prepared by means of pulsed laser deposition on various single-crystalline substrates. Their structural, optical and electronic properties are investigated with established experimental methods such as X-ray diffraction, spectroscopic ellipsometry and resistivity measurements. The structural properties of Na2IrO3 thin films, that were previously realized in the author’s M. Sc. thesis for the first time, are improved significantly by deposition of an intermediate ZnO layer. Single-crystalline Li2IrO3 thin films are grown for the first time and exhibit a defined crystal orientation. Measurement of the dielectric function gives insight into electronic excitations that compare well with single crystal samples and related iridates. From the data, an optical energy gap of about 300 meV is obtained. For Y2Ir2O7 thin films, a possible (111) out-of-plane preferential crystal orientation is obtained. Compared to chemical solution deposition, the pulsed laser-deposited YBiO3 thin films presented here exhibit a biaxial in-plane crystal orientation up to a significantly larger film thickness. From the measured dielectric function, a direct and indirect band gap energy is determined. Their magnitude provides necessary experimental feedback for theoretical calculations of the electronic structure of YBiO3, which are used in the prediction of the novel states of matter mentioned above. After the introduction and motivation of this thesis, the second chapter reviews the current state of the science of the studied thin film materials. The following two chapters introduce the sample preparation and the employed experimental methods, respectively. Subsequently, the experimental results of this thesis are discussed for each material individually. The thesis concludes with a summary and an outlook.

The layered honeycomb lattice iridate Na2IrO3 is a novel candidate material for either a topological insulator or spin liquid. These states of matter are one possible starting point for the future realization of scalable quantum computation, but may also find application in magnetic memory or low-power electronic devices. This thesis reports on the pulsed laser deposition of high-quality heteroepitaxial (001)-oriented Na2IrO3 thin films with well-defined in-plane epitaxial relationship on 5-by-5 and 10-by-10 square millimeter single-crystalline sapphire, YAlO3 and zinc oxide substrates. Three-dimensional Mott variable range hopping is the dominant conduction mechanism between 40 and 300 K. Moreover, a signature of the proposed topological insulator phase is found in magnetoresistance by observation of the weak antilocalization effect that is associated with topological surafce states. Compared to single crystals, a smaller, 200-meV optical gap in Na2IrO3 thin films is found by Fourier-transform infrared transmission spectroscopy.

Cette thèse présente l'étude de la coexistence métal isolant dans deux systèmes très différents pour la communauté scientifique de la matière condensée : l'isolant topologique 3D Bi2Te3 et le composé prototype de la transition de Mott V2O3. Ces deux systèmes ont été étudiés par des techniques basées sur la spectroscopie de photoélectrons. La première technique utilisée est le TR-ARPES (time and angle resolved photoemission spectroscopy), avec une résolution temporelle de 80 fs, appliquée à l'isolant topologique 3D Bi2Te3 pour distinguer la dynamique ultra-rapide des états métalliques de la surface de celle des états isolants du volume. Cette mesure a permet de comprendre les différents mécanismes de diffusion entre la surface et le volume, ainsi que l'amélioration de la relaxation du cône de Dirac par la préexistence à la sous-surface d'une bande de flexion. La seconde technique utilisée dans cette thèse est le SPEM (scanning photoelectron microscopy), avec une résolution spatiale de 150 nm, permettant d'étudier la coexistence des domaines métalliques et isolants à la transition de Mott dans V2O3 ; cette coexistence a pour origine le caractère 1 er ordre de la transition. La mesure montre une coexistence métal-isolant dans le Cr-dopé : les domaines métalliques sont dus à des centres de nucléations < 150 nm et la forme des domaines est clairement liée à la forme des marches de clivage. / This thesis presents the study of metal-insulator coexistence in two very different systems for the scientific community of condensed matter: the 3D topological insulator Bi2Te3 and the prototype compound of the Mott transition V2O3. Both systems were studied by techniques based on photoelectron spectroscopy. The first technique is the TR- ARPES (time and angle resolved photoemission spectroscopy), with a temporal resolution of 80 fs, applied to the 3D topological insulator Bi2Te3 to distinguish the ultrafast dynamics of metallic surface states from that of the insulating bulk states. This allows us to understand the different mechanisms of scattering between the surface and the bulk, as well as the amelioration on the Dirac cone relaxation due to the preexistence of subsurface band bending. The second technique used in this thesis is the SPEM (scanning photoelectron microscopy), with a spatial resolution of 150 nm, which was used to study the coexistence of metallic and insulating domains at the Mott transition on V2O3. This coexistence takes its origin from the first order character of the transition. The measurement shows the metal-insulator coexistence on the Cr-doped: metal domains are due to nucleation centers < 150 nm and the shape of the domains is clearly linked to the shape of the cleavage steps.

Dans cette thèse, nous explorons des matériaux basés sur le bismuth qui peuvent présenter des propriétés topologiques. Bi est un composant d’Isolants Topologiques identifiés qui consistent en un volume isolant tout en présentant aussi des états électroniques conducteurs en surface topologiquement protégés. En particulier, ces états de surface sont polarisés en spin et sont protégés par la symétrie du renversement du temps. L’attrait des Isolants Topologiques découle non seulement de leur intérêt évident du point de vue de la physique fondamentale, mais aussi du fait qu’ils puissent trouver une application en spintronics et dans les ordinateurs quantiques.Dans ces systèmes, le couplage spin-orbit joue un rôle central. Le couplage spin-orbit peut aussi mener à la levée de dégénérescences de Rashba ou de Dresselhaus, phénomènes découlant de la brisure en symétrie respectivement engendrée par la surface/interface d’un système ou de l’inhérente structure cristalline atomique.L’interprétation de mesures de structures de bandes dépendantes du spin, comme observées par spectroscopie par photoemission résolue en angle (et en spin), est appuyée et complémentée par des calculs ab-initio Korringa-Kohn-Rostoker de la structure électronique qui incluent tous les aspects des systèmes examinés : en particulier le couplage spin-orbit, fondamentalement compris grâce à une approche entièrement relativiste.Nous avons d’abord déposé des couches minces de Bi sur un substrat d’InAs(111). Un cristal de Bi de très bonne qualité est obtenu, confirmé par la reproduction par étude théorique des bandes électroniques mesurées. En parallèle de la croissance de la couche de Bi, nous observons que l’In et le Bi forment des cristaux d’InBi, exposant des états de surface topologiques. Nos analyses théoriques confirment que ces états de surface sont polarisés en spin.Dans la seconde partie de la thèse, Bi est utilisé comme un dopant dans InAs, donnant un alliage d’InAsBi. L’intense couplage spin-orbit apporté par le Bi génère simultanément des effets Rashba et Dresselhaus mesurables, levant par conséquence la dégénérescence des états de surface de manière complètement atypique, donnant des états non-hélicoïdaux polarisés en spin. / In this thesis, we explore bismuth based materials that may exhibit topological properties. Bi is a parent compound of known Topological Insulators which consist of an insulating bulk while also presenting topologically protected conducting electronic surface states. In particular, these surface states are spin polarised and are protected by time-reversal symmetry. The dual appeal of topological insulators stems not only from their obvious interest from a fundamental physics point of view, but also from the fact that they may find use in spintronics and quantum computing.In those systems the spin-orbit coupling plays a central role. Spin-orbit coupling can also lead to the Rashba or Dresselhaus splitting, phenomena arising from the symmetry breaking respectively engendered by the surface/interface of a system or from the inherent atomic crystal structure.The interpretation of measured spin dependent band structure, as observed in (Spin-) and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, was supported and completed by ab-initio Korringa-Kohn-Rostoker electronic structure calculations which account for all aspects of the investigated systems: in particular spin-orbit coupling, fundamentally included thanks to a fully relativistic approach.We first deposited Bi thin films onto a InAs(111) substrate. A crystal of Bi of very high quality was grown, confirmed by reproduction of the measured electronic bands by theoretical investigation. In parallel to Bi film growth, we observed that In and Bi form InBi crystals, exhibiting topological surface states. Our theoretical analyses confirm that these surface states are spin polarised.In the second part of the thesis, Bi was used as a dopant within InAs, forming an InAsBi alloy system. The strong spin-orbit coupling brought on by Bi generated simultaneously measurable Rashba and Dresselhaus effects, consequently splitting surface states in a completely atypical manner, giving non-helical spin polarised states.

In this thesis we employ various mean-field approaches to study the shortrange interaction effects in topological insulators. We start with the Kane-Mele model on the decorated honeycomb lattice and study the stability of topological insulator phase against different perturbations. We establish an adiabatic connection between a noninteracting topological insulator and a strongly interacting spin liquid in its Majorana fermion representation. We use the Hartree-Fock mean-field approach, slave-rotor approach and slave-boson approach to study correlation effects related to topological insulators. With the spontaneous symmetry breaking mechanism, we can have an interaction driven topological insulator with extended Hubbard models on the kagome lattice and decorated honeycomb lattice. For the interplay among spin-orbit coupling, distortion and correlation effect in transition metal oxides, we use the slave-rotor mean-field approach to study its phase transition. We identify regimes where a strong topological Mott insulator and a weak topological insulator reside due to the strong Coulomb interaction and distortion. This is relevant to experiments with the transition metal oxides as they hold promise to realize topological insulators. To study the doping effects and a possible spin liquid in Kane-Mele-Hubbard model on the honeycomb lattice, we employ the slave-boson mean-field approach which is appropriate for the intermediate interaction strength. We compare our results with those obtained from other methods. / text

Il sera question dans ce mémoire de maîtrise de l’étude d’une nouvelle classification des états solides de la matière appelée isolant topologique. Plus précisément, nous étudierons cette classification chez le composé demi-Heusler GdBiPt. Nous avons principalement cherché à savoir si ce composé ternaire est un isolant topologique antiferromagnétique. Une analyse de la susceptibilité magnétique ainsi que de la chaleur spécifique du maté- riau montre la présence d’une transition antiferromagnétique à 8.85(3) K. Une mesure d’anisotropie de cette susceptibilité montre que les plans de spins sont ordonnés sui- vant la direction (1,1,1) et finalement des mesures de résistivité électronique ainsi que de l’effet Hall nous indiquent que nous avons un matériau semimétallique lorsque nous sommes en présence d’antiferromagnétisme. Présentement, les expériences menées ne nous permettent pas d’associer cet état métallique aux états surfaciques issus de l’état d’isolant topologique. / In this thesis will be discussed the study of a new way of characterizing state of matter called a topological insulator. We have mainly investigated whether the ternary compound GdBiPt, from the family of half-Heusler compounds, is an antiferromagnetic topological insulator. An analysis of the magnetic susceptibility and the specific heat of the material shows the presence of an antiferromagnetic transition at 8.85(3) K. A measurement of the anisotropy of the susceptibility shows that plan of spins are ordered according to the crystalline direction (1,1,1) and finally, measurements of electronic re- sistivity and Hall effect indicate that we have a semimetallic material when we are in the presence of antiferromagnetism. At the present, these experiments do not allow us to as- sociate this metallic state with the surface states associated with the topological insulator state of matter.

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Les isolants topologiques sont des isolants qui ne peuvent être différenciés des isolants atomiques que par une grandeur physique non locale appelée invariant topologique. L'effet Hall quantique et son équivalent sans champ magnétique l'isolant de Chern sont des exemples d'isolants topologiques. En présence d'interactions fortes, des excitations exotiques appelées anyons peuvent apparaître dans les isolants topologiques. L'effet Hall quantique fractionnaire (EHQF) est la seule réalisation expérimentale connue de ces phases. Dans ce manuscrit, nous étudions numériquement les conditions d'émergence de différents isolants topologiques fractionnaires. Nous nous concentrons d'abord sur l'étude de l'EHQF sur le tore. Nous introduisons une méthode de construction projective des états EHQF les plus exotiques complémentaire par rapport aux méthodes existantes. Nous étudions les excitations de basse énergie sur le tore de deux états EHQF, les états de Laughlin et de Moore-Read. Nous proposons des fonctions d'onde pour les décrire, et vérifions leur validité numériquement. Grâce à cette description, nous caractérisons les excitations de basse énergie de l'état de Laughlin dans les isolants de Chern. Nous démontrons également la stabilité d'autres états de l'EHQF dans les isolants de Chern, tels que les états de fermions composites, Halperin et NASS. Nous explorons ensuite des phases fractionnaires sans équivallent dans la physique de l'EHQF, d'abord en choisissant un modèle dont l'invariant topologique a une valeur plus élevée, puis en imposant au système la conservation de la symétrie par renversement du temps, ce qui modifie la nature de l'invariant topologique. / Topological insulators are band insulators which are fundamentally different from atomic insulators. Only a non-local quantity called topological invariant can distinguish these two phases. The quantum Hall effect is the first example of a topological insulator, but the same phase can arise in the absence of a magnetic field, and is called a Chern insulator. In the presence of strong interactions, topological insulators may host exotic excitations called anyons. The fractional quantum Hall effect is the only experimentally realized example of such phase. In this manuscript, we study the conditions of emergence of different types of fractional topological insulators, using numerical simulations. We first look at the fractional quantum Hall effect on the torus. We introduce a new projective construction of exotic quantum Hall states that complements the existing construction. We study the low energy excitations on the torus of two of the most emblematic quantum Hall states, the Laughlin and Moore-Read states. We propose and validate model wave functions to describe them. We apply this knowledge to characterize the excitations of the Laughlin state in Chern insulators. We show the stability of other fractional quantum Hall states in Chern insulators, the composite fermion, Halperin and NASS states. We explore the physics of fractional phases with no equivalent in a quantum Hall system, using two different strategies: first by choosing a model with a higher value of the topological invariant, second by adding time-reversal symmetry, which changes the nature of the topological invariant.

Bismuth selenide belongs to a class of topological insulators---materials characterized by a intriguing electronic band structure, with a characteristic Dirac conical band on the surface. In this master thesis, the optical response of this material is explored in the infrared spectral range and in a broad range of magnetic fields. We mainly focus on the absorption of light due to free charge carriers having, when the magnetic field is applied, a form of cyclotron resonance. We find that the experimentally observed response is consistent with expectations for massive electrons in bulk rather than massless particles on the surface.

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