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L’étude des symétries d’un système peut en révéler de nombreuses propriétés physiques. La brisure, spontanée ou non, d’une de ces symétries implique alors d’importantes conséquences sur le comportement du système. On le voit dans la description actuelle de la physique des particules, avec notamment la création de la masse, ou dans la physique des solides, domaine de cette thèse, avec l’apparition de phases aux propriétés diverses, comme le magnétisme ou la supraconductivité. Le présent travail étudie par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) les effets d’une brisure de symétrie dans deux systèmes différents : le système de fermions lourds URu2Si2 et l’oxyde de métal de transition (TMO) KTaO3. Le cristal d’URu2Si2 passe d’une phase paramagnétique pour T>THO, sujette à la cohérence de Kondo, vers la phase dite d’ordre caché pour T<THO, avec THO ≈ 17.5 K, brisant potentiellement plusieurs symétries. Bien qu’il y a presque trente ans que cettetransition de phase fut mesurée expérimentalement, aucun modèle théorique n’a encore réussi à faire consensus dans la communauté. Malgré une caractérisation expérimentale désormais très poussé de ce système, des informations résolues en angle manquent cruellement pour la compréhension de cette mystérieuse phase. Ce travail de thèse utilise donc des installations ARPES pour mettre en évidence, entre autre, le gap d’ordre caché, d’une amplitude inférieure à 10 meV. Nous montrons que ces mesures s’accordent avec plusieurs travaux expérimentaux précédents. Finalement, nous trouvons de fortes similarités entre les dispersions mesurées et celles calculées par LSDA, soulignant toutefois la nécessité d’introduire une renormalisation importante des masses effectives. Ce résultat contraint fortement les futures modélisations du comportement électronique de l’URu2Si2, tranchant sur l’approche à adopter.Contrairement au dernier système, où nous étudions une transition de phase, dans le tantalate de potassium KTaO3, notre attention se porte sur la brisure de symétrie de translation provoquée par la surface (111). Faisant suite à des mesures de transport qui revélèrent l’existence d’un gaz d’électron bidimensionnel (2DEG) à l’interface d’une hétérostructure de deux TMOs isolants de bandes, notre groupe mesura, plus tard, des 2DEGs aux surfaces (001) nues de SrTiO3 et de KTaO3, par ARPES. C’est dans la continuité de ces résultats que se place le présent travail, avec le désir d’élargir les caractéristiques de ces 2DEGs. Ainsi, poussé par la prédiction théorique d’état au caractère topologique non-trivial, nous apportons l’évidence d’un 2DEG à la surface (111) de KTaO3. Nous modélisons ensuite avec succès sa dispersion particulière grâce à des calculs de liaisons fortes. Ce travail constitue une étape dans la possible mise en évidence d’états au caractère topologique non-trivial dans les TMOs. / Several physical properties of a system can be understood by looking at the symmetries involved. Breaking of a symmetry affects the behavior of the system, regardless ifit happens spontaneously or not. This is observed with the emergence of the mass inparticle physics models, or with the diverse phases arising in condensed matter systems,as magnetism or superconductivity. Using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), this work studies theeffects of a symmetry breaking for two different systems : the heavy fermion systemURu2Si2 and the transition metal oxide (TMO) KTaO3. In URu2Si2, a transition occurs from a paramagnetic phase at T>THO to the hiddenorder phase at T<THO, with THO ≈ 17.5 K. This new order potentially breaks several symmetries. Although this transition was measured almost thirty years back, usingelectrical transport, no theoretical model could yet bring a consensus in the community. Since then, various characterizations of this system have been realized, howevermomentum-resolved informations are still missing to help unravel this mystery. Thus,during this thesis, we used state-of-the-art ARPES setups to measure several gaps located at different points in the Brillouin zone, and with amplitudes below 10 meV. Someof them are related to the Kondo coherence, and one is the hidden order gap. We showthat these measurements are consistent with previous experimental works. Finally, weobserved that our measurements differ from LSDA calculations solely by a renormalization of the effective masses by, at least, a factor 10 close to the Fermi level. Taking intoaccount some interactions, such as electronic ones, could lead to a more accurate model.Our measurements provide the constraints for this possible modeling. Unlike the transition we just described, the symmetry breaking in potassium tantalate KTaO3 is not spontaneous. In this system, we look at the (111) surface, wherethe translation symmetry is broken. A metallic two-dimensional electron gas (2DEG)has been measured in 2004 by Ohtomo at the interface between two insulating TMOs :strontium titanate SrTiO3 and lanthanum aluminate LaAlO3. The possible electronicapplications of exotic properties in TMOs, resulting from the d orbitals, has brought anew wave of activity to this topic. Later, our group measured 2DEGs at the (001) baresurfaces of SrTiO3 and KTaO3. Following these results, we wished to tailor the characteristic of such 2DEGS. Led by the theoretical prediction of states with non-trivialtopological character, we are presenting the evidence of a 2DEG at the (111) surface ofKTaO3. We also discuss its dispersion and introduce a tight binding calculation modelsuccessfully. This work is a step towards the realization of non-trivial topological statesin transition metal oxides.

Die untersuchten Ausgangsmaterialien α-Fe2U3, ɣ-Fe2O3, Fe3O4, CoO, Co3O4, NiO sowie CuO eignen sich durch ihre hohe theoretische spezifische Kapazität als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Die zugrundeliegenden Mechanismen zur Speicherung der Li-Ionen konnten mit allen Phasenumwandlungen und der Bildung von Zwischenprodukten im ersten Reduktionsschritt beschrieben werden. In Abhängigkeit von der Kristallstruktur der Ausgangsmaterialien und den Reaktionsgeschwindigkeiten konnten der Gesamtreaktion die einzelnen Mechanismen Interkalation von Li-Ionen, Substitution von Kationen in der Kristallstruktur und Konversionsmechanismus zugeordnet werden. Auf Grund des gemeinsamen kubisch flächenzentrierten Sauerstoffuntergitters der Ausgangsmaterialien und Zwischenprodukte zeigen sich für die Materialsysteme Fe-O, Co-O und Ni-O Orientierungsbeziehungen zwischen den Kristalliten des Ausgangsoxids, des lithiierten Metalloxids und der Li2O-Matrix. Im Gegensatz dazu sind die auf der CuO-Phase basierenden Kristallite regellos orientiert und zeigen eine höhere Zyklenstabilität. Die Orientierungsbeziehung zwischen den lithiierten Metalloxiden und der Li2O-Matrix hindert dagegen den Austausch der Li-Ionen, beeinträchtigt die Zyklenstabilität und trägt so zu einer schnelleren Alterung der Elektrode bei.

Übergangsmetalloxidbronzen (TMOB) – Verbindungen mit der allgemeinen chemischen Summenformel AxByOz (A = Element der Gruppen 1, 2, 11, 12, 13, NH4+ oder Kombination; B = Übergangsmetall) – sind seit längerem als Material für ionensensitive Festkörperelektroden bekannt. Sie reagieren als Elektroden in elektrochemischen Messungen auf Ionen in wässrigen Elektrolyten in höchst unterschiedlicher Weise. Bis heute gibt es dazu nur wenige systematische vergleichende Untersuchungen, die von der Präparation der Bronzen, der Charakterisierung ihrer Eigenschaften bis zur Untersuchung ihrer Elektrodeneigenschaften reichen. Gegenstand der Arbeit war deshalb die Synthese von in der Literatur beschriebenen TMOB auf der Basis von Wolfram und Molybdän, die Bestimmung ihrer Kristallstruktur und die Untersuchung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. Aus den synthetisierten Verbindungen waren anhand einer elektrochemischen Vorcharakterisierung einige auszuwählen, um diese systematisch als Elektroden zu untersuchen. Insbesondere HxMoO3, Ba0,12WO3 und Li0,4Mo0,95W0,05O3 zeichneten sich durch gegenüber den anderen Oxidbronzen abweichende potentiometrische Charakteristika aus. Hinsichtlich der Einsetzbarkeit dieser Materialien für potentiometrische Elektroden wurden diese Verbin¬dungen noch nicht untersucht. Daher wurden diese Verbindungen eingehender erforscht. Die bezüglich ihrer potentiometrischen Eigen¬schaften bereits ausreichend untersuchte Verbindung Na0,9Mo6O17 diente dem Vergleich und wurde deshalb den selben Tests ausgesetzt. Dazu waren im Einzelnen potentiometrische Messungen in Abhängigkeit von der Konzentration der Alkaliionen und der Wasserstoffionen sowie von der Konzentration verschiedener Redoxspezies in wässrigen Medien durchzuführen. Unklar war bisher wie sich die Wechselwirkungen der gelösten Ionen mit den Molybdän- und Wolframionen im Festkörper vollziehen und warum die Elektroden Sensitivitäten für verschiedene Ionen aufweisen, die sich nicht aus der chemischen Zusammensetzung oder mit der Kristallstruktur der jeweiligen Oxidbronze erklären lassen. Zur Aufhellung dieses Problems waren unter anderem XPS-Untersuchungen an verschiedenen Oxidbronzen durchzuführen, aus denen man auf den Oxidationszustand des Wolframs und Molybdäns im Festkörper schließen kann.

System on Chip (SoC) and System in Package (SiP) are two electronic technologies that involve integrating multiple functionalities onto a single platform. When the platform is a single wafer, as in SOC, it requires the ability to deposit various materials that enable the different functions on to an underlying substrate that can host the electronic circuitry. Transition metal oxides which have a wide range of properties are ideal candidates for the functional material. Si wafer on which micro-electronics technology is widely commercialized is the ideal host platform. Integrating oxides with Si, generally in the form of thin films as required by microelectronics technology, is however a challenge. It starts with the fact that the properties of crystalline oxides to be exploited in performing various functions are direction dependent. Thus, thin films of these oxides need to be deposited on Si in certain crystallographic orientations. Even if a suitably oriented Si wafer surface were available, it does not always provide for epitaxial growth a critical requirement for controlling the crystalline orientation of thin films. This is because Si surface is covered by an amorphous oxide of Si (SiOx). Thus, during growth of the functional oxide, an ambience in which the Si itself will not oxidize needs to be provided. In addition, during thin film growth on either Si or SiOx surface stresses are generated from various sources. Stress and its relaxation are also associated with the formation and evolution of defects. Both, stress and defects need to be managed in order to harness their beneficial effects and prevent detrimental ones. Given the requirement of SoC technology and the problem associated, the research work reported in this thesis was hence concerned with the precise controlling the stress and microstructure in oxide thin films deposited on Si substrates. In order to do so a versatile, ultra high vacuum (UHV) thin film with a base pressure of 10-9 Torr was designed and built as part of this study. The chamber is capable of depositing films by both sputtering (RF & DC) and pulsed laser ablation (PLD). The system has been designed to include an optical curvature measurement tool that enabled real-time stress measurement during growth. Doped zirconia, ZrO2, was chosen as the first oxide to be deposited, as it is among the few oxides that is more stable than SiOx. It is hence used as a buffer layer. It is shown in this thesis that a change in the growth rate at nucleation can lead to (100) or (111) textured films. These two are among the most commonly preferred orientation. Following nucleation a change in growth rate does not affect orientation but affects stress. Thus, independent selection of texture and stress is demonstrated in YSZ thin films on Si. A quantitative model based on the adatom motion on the growth surface and the anisotropic growth rates of the two orientations is used to explain these observations. This study was then subsequent extended to the growth on platinized Si another commonly used Si platform.. A knowledge of the stress and microstructure tailoring in cubic zirconia on Si was then extended to look at the effect of stress on electrical properties of zirconia on germanium for high-k dielectric applications. Ge channels are expected to play a key role in next generation n-MOS technology. Development of high-k dielectrics for channel control is hence essential. Interesting stress and property relations were analyzed in ZrO2/Ge. Stress and texture in pulsed laser deposited (PLD) oxides on silicon and SrTiO3 were studied. It is shown in this thesis that stress tuning is critical to achieve the highest possible dielectric constant. The effect of stress on dielectric constant is due to two reasons. The first one is an indirect effect involving the effect of stress on phase stability. The second one is the direct effect involving interatomic distance. By stress control an equivalent oxide thickness (EOT) of 0.8 nm was achieved in sputter deposited ZrO2/Ge films at 5 nm thickness. This is among the best reported till date. Finally, the effect of growth parameters and deposition geometry on the microstructural and stress evolution during deposition of SrTiO3 on Si and BaTiO3 on SrTiO3 by pulsed laser deposition is the same chamber is described.

Diese Arbeit ist eine umfassende und systematische Untersuchung der Adsorption von Wasser auf der Fe2O3(0001)-Oberfläche. Sie deckt eine Vielzahl der Probleme auf, die während des Anfangs der Wasseradsorption auf den Übergangsmetalloxidoberflächen auftreten. Dazu gehören die Stabilität der reinen Oberfläche, die Rolle der Oberflächendefekte, der Einfluss der kristallographischen und elektronischen Strukturen, die elementare Kinetik der adsorbierten Arten von Wasser auf der Oberfläche, die Eigenschaften bei niedrigem und hohem Bedeckungsgrad und die Auswirkungen der Wasserstoffbrückenbindung auf die Adsorption und das XPS-Spektrum. Niedrige und hohe Bedeckungsgrade von 0.25 bis 1 Monolage werden untersucht, um die Grundlage für die folgende Erhöhung der Wasserbedeckung, die normalerweise in Experimenten beobachtet wird, zu ermitteln. Das Einzeladsorptionsregime wurde erweitert, um eine echte Wasserdampfumgebung mittels der Gibbs-Energie zu berücksichtigen. Die Ensemblemethode wurde benutzt, um die durchschnittlichen Werte der energisch entarteten Adsorptionskonfigurationen zu interpretieren. Der Abstandsmatrixansatz wurde entwickelt, um die statistische Analyse zu ermöglichen. Die Methode reduziert mithilfe der Oberflächensymmetrie die Gesamtzahl der Adsorptionskonfigurationen, die zu berücksichtigen sind. Das XPS-Spektrum wird für verschiedene Wasserdampftemperaturen und Drücke simuliert. Es wird eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Spektren erreicht und die geringen Unterschiede werden erklärt. Die Hauptmerkmale des XPS-Spektrums beim Anstieg von relativer Feuchtigkeit des Wasserdampfs werden beschrieben. Die Ähnlichkeiten und Unterschiede der Wasseradsorption auf Fe2O3 und Al2O3 werden betont und die wichtigsten Tendenzen werden abgeleitet. Auf Grund dieser Arbeit kann der Anfangsprozess der Fe2O3(0001)-Oberflächenbenetzung erklärt werden. / The present study is a comprehensive systematic theoretical investigation of the water adsorption on the Fe2O3(0001) surface. It covers a broad number of problems inherent to the initial stage of the water adsorption on the transition metal oxide surface: clean surface stability, the influence of surface oxygen defects, the role of the crystallographic and electronic structures on the adsorption configuration, elementary kinetics, the particular qualities of the low and high adsorption coverage regimes and the effect of the hydrogen bonding on adsorption and on the XPS spectra simulation. The low and high coverage regimes from 0.25 up to 1 monolayer water coverage were considered to form a basis for the following increase of water loading mainly observed in experiments. A single adsorption energy picture was expanded to take into account the water vapour environment through the Gibbs free energy. The statistical ensemble was employed to classify and interpret the averaged values of the adsorption configurations set rather than the ``invisible'' in experiment quantities intrinsic to the particular single adsorption configuration. In order to make the statistical analysis feasible an effective distance matrix scheme was developed. It helped to reduce the total number of structures to consider without loss of generality by virtue of the surface space symmetry. Based on the statistical contribution of each individual adsorption configuration, the O-1s XPS was simulated for the various water vapour environments. A good agreement between the simulated and experimental spectra was found. Wherever it was important, the similarities and differences between water adsorption on the Fe2O3, Al2O3 and Fe3O4 surfaces were stressed and the main tendencies were deduced. Based on the present study, the whole picture of the initial stage of the Fe2O3(0001) surface wetting process was established.