Spin- and \(k\)-resolved hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) is a powerful tool to probe bulk electronic properties of complex metal oxides. Due to the low efficiency of common spin detectors of about \(10^{-4}\), such experiments have been rarely performed within the hard X-ray regime since the notoriously low photoionization cross sections further lower the performance tremendously. This thesis is about a new type of spin detector, which employs an imaging spin-filter with multichannel electron recording. This increases the efficiency by a factor of \(10^4\) and makes spin- and \(k\)-resolved photoemission at high excitation energies possible. Two different technical approaches were pursued in this thesis: One using a hemispherical deflection analyzer (HDA) and a separate external spin detector chamber, the other one resorting to a momentum- or \(k\)-space microscope with time-of-flight (TOF) energy recording and an integrated spin-filter crystal. The latter exhibits significantly higher count rates and - since it was designed for this purpose from scratch - the integrated spin-filter option found out to be more viable than the subsequent upgrade of an existing setup with an HDA. This instrumental development is followed by the investigation of the complex metal oxides (CMOs) KTaO\(_3\) by angle-resolved HAXPES (HARPES) and Fe\(_3\)O\(_4\) by spin-resolved HAXPES (spin-HAXPES), respectively. KTaO\(_3\) (KTO) is a band insulator with a valence-electron configuration of Ta 5\(d^0\). By angle- and spin-integrated HAXPES it is shown that at the buried interface of LaAlO\(_3\)/KTO - by the generation of oxygen vacancies and hence effective electron doping - a conducting electron system forms in KTO. Further investigations using the momentum-resolution of the \(k\)-space TOF microscope show that these states are confined to the surface in KTO and intensity is only obtained from the center or the Gamma-point of each Brillouin zone (BZ). These BZs are furthermore square-like arranged reflecting the three-dimensional cubic crystal structure of KTO. However, from a comparison to calculations it is found that the band structure deviates from that of electron-doped bulk KTaO\(_3\) due to the confinement to the interface. There is broad consensus that Fe\(_3\)O\(_4\) is a promising material for spintronics applications due to its high degree of spin polarization at the Fermi level. However, previous attempts to measure the spin polarization by spin-resolved photoemission spectroscopy have been hampered by the use of low photon energies resulting in high surface sensitivity. The surfaces of magnetite, though, tend to reconstruct due to their polar nature, and thus their magnetic and electronic properties may strongly deviate from each other and from the bulk, dependent on their orientation and specific preparation. In this work, the intrinsic bulk spin polarization of magnetite at the Fermi level (\(E_F\)) by spin-resolved photoelectron spectroscopy, is determined by spin-HAXPES on (111)-oriented thin films, epitaxially grown on ZnO(0001) to be \(P(E_F) = -80^{+10}_{-20}\) %. / Spin- und \(k\)-aufgelöste harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) ist ein leistungsähiges Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften komplexer Metalloxide. Aufgrund der geringen Effizienz gängiger Spin-Detektoren von etwa \(10^{-4}\) wurden solche Experimente im Bereich der harten Röntgenstrahlung nur selten durchgeführt, da die notorisch niedrigen Photoionisationsquerschnitte die Leistungsfähigkeit noch weiter verringern. In dieser Arbeit geht es um einen neuartigen Spin-Detektor, der einen abbildenden Spin-Filter mit Mehrkanal-Elektronenaufzeichnung verwendet. Dies erhöht die Effizienz um einen Faktor \(10^4\) und ermöglicht spin- und \(k\)-aufgelöste Photoemission bei hohen Anregungsenergien. Zwei verschiedene technische Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit verfolgt: Zum einen mit einem Halbkugelanalysator (HDA) und einer separaten externen Spin-Detektorkammer, zum anderen mit einem Impuls- oder Impuls-Mikroskop mit Flugzeit-Energieaufzeichnung (TOF) und einem integrierten Spin-Filterkristall. Letzteres weist deutlich höhere Zählraten auf, und - da es von Grund auf für diesen Zweck entwickelt wurde - erwies sich die integrierte Spinfilteroption als praktikabler als die nachträgliche Aufrüstung des bestehenden Aufbaus mit einem HDA. Auf diese instrumentelle Entwicklung folgt die Untersuchung der komplexen Metalloxide (CMOs) KTaO\(_3\) durch winkelaufgelöstes HAXPES (HARPES) und Fe\(_3\)O\(_4\) durch spinaufgelöstes HAXPES (spin-HAXPES). KTaO\(_3\) (KTO) ist ein Bandisolator mit einer Valenz-Elektronenkonfiguration von Ta 5\(d^0\). Durch winkel- und spin-integriertes HAXPES wird gezeigt, dass sich an der vergrabenen Grenzfläche von dLaAlO\(_3\)/KTO - durch die Erzeugung von Sauerstoff-Fehlstellen und damit effektiver Elektronendotierung - ein leitendes Elektronensystem in KTO bildet. Weitere Untersuchungen mit der Impulsauflösung des TOF-Mikroskops im \(k\)-Raum zeigen, dass diese Zustände auf die Oberfläche in KTO beschränkt sind und die Intensität nur vom Zentrum oder dem Gamma-Punkt jeder Brillouin-Zone (BZ) gemessen wird. Diese BZn sind darüber hinaus quadratisch angeordnet, was die dreidimensionale kubische Kristallstruktur von KTO widerspiegelt. Aus einem Vergleich mit Bandrechnungen geht jedoch hervor, dass die Bandstruktur aufgrund des Einschlusses an der Grenzfläche von der des elektronen-dotierten KTO-Volumens abweicht. Es besteht ein breiter Konsens darüber, dass Fe\(_3\)O\(_4\) aufgrund seines hohen Grades an Spinpolarisation am Fermi-Niveau ein vielversprechendes Material für Spintronik-Anwendungen ist. Bisherige Versuche, die Spinpolarisation durch spinaufgelöste Photoemissionsspektroskopie zu messen, wurden jedoch durch die Verwendung von niedrigen Photonenenergien behindert, was zu einer hohen Oberflächenempfindlichkeit führt. Die Oberflächen von Magnetit neigen jedoch aufgrund ihres polaren Charakters zu Rekonstruktionen, so dass ihre magnetischen und elektronischen Eigenschaften stark voneinander und vom Volumen abweichen können, abhängig von ihrer Oberflächenorientierung und ihrer spezifischen Präparation. In dieser Arbeit wird die intrinsische Bulk-Spinpolarisation von Magnetit am Fermi-Niveau (\(E_F\)) durch spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie an (111)-orientierten dünnen Filmen, die epitaktisch auf ZnO(0001) gewachsen sind, zu \(P(E_F) = -80^{+10}_{-20}\) % bestimmt.

Scaling of electronic circuits from micro- to nanometer size determined the incredible development in computer technology in the last decades. In charge storage capacitors that are the largest components in dynamic random access memories (DRAM), dielectrics with higher permittivity (high-k) were needed to replace SiO2. Therefore ZrO2 has been introduced in the capacitor stack to allow sufficient capacitance in decreasing structure sizes. To improve the capacitance density per cell area, approaches with three dimensional structures were developed in device fabrication. To further enable scaling for future generations, significant efforts to replace ZrO2 as high-k dielectric have been undertaken since the 1990s. In calculations, CaTiO3 has been identified as a potential replacement to allow a significant capacitance improvement. This material exhibits a significantly higher permittivity and a sufficient band gap. The scope of this thesis is therefore the preparation and detailed physical and electrical characterization of ultrathin CaTiO3 layers. The complete capacitor stacks including CaTiO3 have been prepared under ultrahigh vacuum to minimize the influence of adsorbents or contaminants at the interfaces. Various electrodes are evaluated regarding temperature stability and chemical reactance to achieve crystalline CaTiO3. An optimal electrode was found to be a stack consisting of Pt on TiN. Physical experiments confirm the excellent band gap of 4.0-4.2 eV for ultrathin CaTiO3 layers. Growth studies to achieve crystalline CaTiO3 indicate a reduction of crystallization temperature from 640°C on SiO2 to 550°C on Pt. This reduction has been investigated in detail in transmission electron microscopy measurements, revealing a local and partial epitaxial growth of (111) CaTiO3 on top of (111) Pt surfaces. This preferential growth is beneficial to the electrical performance with an increased relative permittivity of 55 with the advantage of a low leakage current comparable to that in amorphous CaTiO3 layers. A detailed electrical analysis of capacitors with amorphous and crystalline CaTiO3 reveals a relative permittivity of 30 for amorphous and an excellent value of 105 for fully crystalline CaTiO3. The permittivity exhibits a quadratic dependence with applied electric field. Crystalline CaTiO3 shows a 1-3% drop in capacitance density and permittivity at a bias voltage of 1V, which is significantly lower compared to all results for SrTiO3 capacitors measured elsewhere. A capacitance equivalent thickness (CET) below 1.0 nm with current densities 1×10−8 A/cm2 have been achieved on carbon electrodes. Finally, CETs of about 0.5 nm with leakage currents of 1 × 10−7 A/cm2 on top of Pt/TiN fulfill the 2016 DRAM requirements following the ITRS road map of 2012. / Die Verkleinerung von elektronischen Bauelementen hin zu nanometerkleinen Strukturen beschreibt die unglaubliche Entwicklung der Computertechnologie in den letzten Jahrzehnten. In Ladungsspeicherkondensatoren, den größten Komponenten in Arbeitsspeichern, wurden dafür Dielektrika benötigt, die eine deutlich höhere Permittivität als SiO2 besitzen. ZrO2 wurde als geeignetes Dielektrikum eingeführt, um eine ausreichende Kapazität bei kleiner werdenen Strukturen sicherzustellen. Zur weiteren Verbesserung der Kapazitätsdichte pro Zellfläche konnten 3D Strukturen in die Chipherstellung integriert werden. Seit den 1990ern wurden parallel bedeutende Anstrengungen unternommen, um ZrO2 als Dielektrikum durch Materialien mit noch höherer Permittivität zu ersetzen. Nach Berechnungen stellt nun CaTiO3 eine mögliche Alternative dar, die eine weitere Verbesserung der Kapazität ermöglicht. Das Material besitzt eine deutlich höhere Permittivität und eine ausreichend große Bandlücke. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit Herstellung und detaillierter physikalischer und elektrischer Charakterisierung von extrem dünnen CaTiO3 Schichten. Zusätzlich wurden diverse Elektroden bezüglich ihrer Temperaturstabilität und der chemischen Stabilität untersucht, um kristallines CaTiO3 zu herhalten. Als eine optimale Elektrode stellte sich Pt auf TiN heraus. Physikalische Experimente an extrem dünnen CaTiO3 Schichten bestätigen die Bandlücke von 4,0-4,2 eV. Wachstumsuntersuchungen an kristallinem CaTiO3 zeigen eine Reduktion der Kristallisationstemperatur von 640°C auf SiO2 zu 550°C auf Pt. Diese Reduktion wurde detailliert mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Es konnte für einige Schichten ein partielles lokales epitaktischesWachstum von (111) CaTiO3 auf (111) Pt gemessen werden. Dieses Vorzugswachstum ist vorteilhaft für die elektrischen Eigenschaften durch eine gesteigerte Permittivität von 55 bei gleichzeitig geringem Leckstrom vergleichbar zu amorphen Schichten. Eine genaue elektrische Analyse von Kondensatoren mit amorphen und kristallinem CaTiO3 ergibt eine Permittivität von 30 für amorphe und bis zu 105 für kristalline CaTiO3 Schichten. Die Permittivität zeigt eine quadratische Abhängigheit von der angelegten Spannung. Kristallines CaTiO3 zeigt einen 1-3% Abfall der Permittivität bei 1V, der wesentlich geringer ausfällt als vergleichbare Werte für SrTiO3. Eine zu SiO2 vergleichbare Schichtdicke (CET) von unter 1,0 nm mit Stromdichten von 1×10−8 A/cm2 wurde auf Kohlenstoffsubstraten erreicht. Mit Werten von 0,5 nm bei Leckstromdichten von 1×10−7 A/cm2 auf Pt/TiN Elektroden erfüllen die CaTiO3 Kondensatoren die Anforderungen der ITRS Strategiepläne für Arbeitsspeicher ab 2016.

Scaling of electronic circuits from micro- to nanometer size determined the incredible development in computer technology in the last decades. In charge storage capacitors that are the largest components in dynamic random access memories (DRAM), dielectrics with higher permittivity (high-k) were needed to replace SiO2. Therefore ZrO2 has been introduced in the capacitor stack to allow sufficient capacitance in decreasing structure sizes. To improve the capacitance density per cell area, approaches with three dimensional structures were developed in device fabrication. To further enable scaling for future generations, significant efforts to replace ZrO2 as high-k dielectric have been undertaken since the 1990s. In calculations, CaTiO3 has been identified as a potential replacement to allow a significant capacitance improvement. This material exhibits a significantly higher permittivity and a sufficient band gap. The scope of this thesis is therefore the preparation and detailed physical and electrical characterization of ultrathin CaTiO3 layers. The complete capacitor stacks including CaTiO3 have been prepared under ultrahigh vacuum to minimize the influence of adsorbents or contaminants at the interfaces. Various electrodes are evaluated regarding temperature stability and chemical reactance to achieve crystalline CaTiO3. An optimal electrode was found to be a stack consisting of Pt on TiN. Physical experiments confirm the excellent band gap of 4.0-4.2 eV for ultrathin CaTiO3 layers. Growth studies to achieve crystalline CaTiO3 indicate a reduction of crystallization temperature from 640°C on SiO2 to 550°C on Pt. This reduction has been investigated in detail in transmission electron microscopy measurements, revealing a local and partial epitaxial growth of (111) CaTiO3 on top of (111) Pt surfaces. This preferential growth is beneficial to the electrical performance with an increased relative permittivity of 55 with the advantage of a low leakage current comparable to that in amorphous CaTiO3 layers. A detailed electrical analysis of capacitors with amorphous and crystalline CaTiO3 reveals a relative permittivity of 30 for amorphous and an excellent value of 105 for fully crystalline CaTiO3. The permittivity exhibits a quadratic dependence with applied electric field. Crystalline CaTiO3 shows a 1-3% drop in capacitance density and permittivity at a bias voltage of 1V, which is significantly lower compared to all results for SrTiO3 capacitors measured elsewhere. A capacitance equivalent thickness (CET) below 1.0 nm with current densities 1×10−8 A/cm2 have been achieved on carbon electrodes. Finally, CETs of about 0.5 nm with leakage currents of 1 × 10−7 A/cm2 on top of Pt/TiN fulfill the 2016 DRAM requirements following the ITRS road map of 2012. / Die Verkleinerung von elektronischen Bauelementen hin zu nanometerkleinen Strukturen beschreibt die unglaubliche Entwicklung der Computertechnologie in den letzten Jahrzehnten. In Ladungsspeicherkondensatoren, den größten Komponenten in Arbeitsspeichern, wurden dafür Dielektrika benötigt, die eine deutlich höhere Permittivität als SiO2 besitzen. ZrO2 wurde als geeignetes Dielektrikum eingeführt, um eine ausreichende Kapazität bei kleiner werdenen Strukturen sicherzustellen. Zur weiteren Verbesserung der Kapazitätsdichte pro Zellfläche konnten 3D Strukturen in die Chipherstellung integriert werden. Seit den 1990ern wurden parallel bedeutende Anstrengungen unternommen, um ZrO2 als Dielektrikum durch Materialien mit noch höherer Permittivität zu ersetzen. Nach Berechnungen stellt nun CaTiO3 eine mögliche Alternative dar, die eine weitere Verbesserung der Kapazität ermöglicht. Das Material besitzt eine deutlich höhere Permittivität und eine ausreichend große Bandlücke. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb mit Herstellung und detaillierter physikalischer und elektrischer Charakterisierung von extrem dünnen CaTiO3 Schichten. Zusätzlich wurden diverse Elektroden bezüglich ihrer Temperaturstabilität und der chemischen Stabilität untersucht, um kristallines CaTiO3 zu herhalten. Als eine optimale Elektrode stellte sich Pt auf TiN heraus. Physikalische Experimente an extrem dünnen CaTiO3 Schichten bestätigen die Bandlücke von 4,0-4,2 eV. Wachstumsuntersuchungen an kristallinem CaTiO3 zeigen eine Reduktion der Kristallisationstemperatur von 640°C auf SiO2 zu 550°C auf Pt. Diese Reduktion wurde detailliert mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Es konnte für einige Schichten ein partielles lokales epitaktischesWachstum von (111) CaTiO3 auf (111) Pt gemessen werden. Dieses Vorzugswachstum ist vorteilhaft für die elektrischen Eigenschaften durch eine gesteigerte Permittivität von 55 bei gleichzeitig geringem Leckstrom vergleichbar zu amorphen Schichten. Eine genaue elektrische Analyse von Kondensatoren mit amorphen und kristallinem CaTiO3 ergibt eine Permittivität von 30 für amorphe und bis zu 105 für kristalline CaTiO3 Schichten. Die Permittivität zeigt eine quadratische Abhängigheit von der angelegten Spannung. Kristallines CaTiO3 zeigt einen 1-3% Abfall der Permittivität bei 1V, der wesentlich geringer ausfällt als vergleichbare Werte für SrTiO3. Eine zu SiO2 vergleichbare Schichtdicke (CET) von unter 1,0 nm mit Stromdichten von 1×10−8 A/cm2 wurde auf Kohlenstoffsubstraten erreicht. Mit Werten von 0,5 nm bei Leckstromdichten von 1×10−7 A/cm2 auf Pt/TiN Elektroden erfüllen die CaTiO3 Kondensatoren die Anforderungen der ITRS Strategiepläne für Arbeitsspeicher ab 2016.

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.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

In dieser Dissertation wird eine umfassende Untersuchung von Perowskit-Tintenformulierungen für die Herstellung von hocheffizienten MAPbI3- und FAPbI3-Bauelementen durchgeführt. Darüber hinaus schlagen wir einen kombinatorischen Slot-Die-Beschichtungsansatz für das Screening und die Herstellung von Perowskit-Zusammensetzungen vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Slot-Die-Beschichtung eine vielversprechende Technik für die Hochskalierung von Metallhalogenid-Perowskit-Dünnschichten ist. / This dissertation gives a comprehensive investigation into perovskite ink formulations for the fabrication of highly efficient MAPbI3 and FAPbI3 devices. Additionally, we propose a combinatorial slot-die coating approach for screening and fabricating perovskite compositions. These results demonstrate that slot-die coating is a promising technique for the upscaling of metal-halide perovskite thin-films.

Die Existenz metallreicher Perowskite der Zusammensetzung (SE3X)M (X = O, N; SE = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Er, Ho, Tm, Lu; M = Al, Ga, In, Sn) wurde untersucht. Die Charakterisierung der Proben erfolgte mit Röntgenpulverdiffraktometrie und Elementaranalysen (O und N). Oxide (SE3O)Al mit SE = La, Ce, Pr, Nd und Sm und (SE3O)In mit SE = Ce, Pr und Nd wurden erhalten. Die Reihe der Verbindungen (SE3N)Al (SE = La, Ce, Pr, Nd, Sm) wurde um die Seltenerd-Metalle SE = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm erweitert. Die metallreichen Perowskite (SE3N)Sn (SE = La, Ce, Pr, Sm) und (SE3N)Ga (SE = Ce, Pr, Sm, Gd, Tb) wurden erstmals beschrieben. Die thermische Stabilität (DSC) der Phasen (SE3X)M ist für die Nitride allgemein am höchsten. Nitride von Al und Ga zersetzen zwischen 1000 °C und 1200 °C, Stannide bleiben bis 1250 °C thermisch stabil. Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der LIII-Absorbtionskanten sind in Einklang mit einer Elektronenkonfiguration SE3+. Die gemessenen elektrischen Widerstände sind charakteristisch für schlechte metallische Leiter. Verschiedene Gehaltschnitte SE3Al-(SE3X)Al und SE3In-(SE3X)In wurden mit Röntgenpulverdiffraktometrie und DTA untersucht. Die Oxide und Nitride (SE3X1-y)M (SE = La, Ce; X = N, O) weisen nur geringe Phasenbreiten auf. Die Carbide (Ce3C1-y)In zeigen hingegen signifikante Phasenbreiten. In den Systemen EA-In-N wurden röntgenografisch phasenreine Pulver von (Ca4N)[In]2 und (EA19N7)[In4]2 (EA = Ca, Sr) erhalten. Durch Elementaranalysen auf H, C, N, O, EA und In und Neutronenbeugung am Pulver können alternative Zusammensetzungen mit einer ausgeglichenen Ladungsbilanz im Sinne des Zintl-Konzepts für diese Phasen ausgeschlossen werden. Im System La-Al wurde die neue Phase La16Al13 beobachtet und an Einkristallen sowie an Pulvern charakterisiert. Das in der Literatur im Cu3Au-Strukturtyp beschrieben kubische Polymorph von Ce3Al wurde auf einen ternären metallreichen Perowskit (Ce3X)Al zurückgeführt.

Within the course of this thesis, I have investigated the complex interplay between electron and lattice dynamics in nanostructures of perovskite oxides. Femtosecond hard X-ray pulses were utilized to probe the evolution of atomic rearrangement directly, which is driven by ultrafast optical excitation of electrons. The physics of complex materials with a large number of degrees of freedom can be interpreted once the exact fingerprint of ultrafast lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction experiments for a simple model system is well known. The motion of atoms in a crystal can be probed directly and in real-time by femtosecond pulses of hard X-ray radiation in a pump-probe scheme. In order to provide such ultrashort X-ray pulses, I have built up a laser-driven plasma X-ray source. The setup was extended by a stable goniometer, a two-dimensional X-ray detector and a cryogen-free cryostat. The data acquisition routines of the diffractometer for these ultrafast X-ray diffraction experiments were further improved in terms of signal-to-noise ratio and angular resolution. The implementation of a high-speed reciprocal-space mapping technique allowed for a two-dimensional structural analysis with femtosecond temporal resolution. I have studied the ultrafast lattice dynamics, namely the excitation and propagation of coherent phonons, in photoexcited thin films and superlattice structures of the metallic perovskite SrRuO3. Due to the quasi-instantaneous coupling of the lattice to the optically excited electrons in this material a spatially and temporally well-defined thermal stress profile is generated in SrRuO3. This enables understanding the effect of the resulting coherent lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction data in great detail, e.g. the appearance of a transient Bragg peak splitting in both thin films and superlattice structures of SrRuO3. In addition, a comprehensive simulation toolbox to calculate the ultrafast lattice dynamics and the resulting X-ray diffraction response in photoexcited one-dimensional crystalline structures was developed in this thesis work. With the powerful experimental and theoretical framework at hand, I have studied the excitation and propagation of coherent phonons in more complex material systems. In particular, I have revealed strongly localized charge carriers after above-bandgap femtosecond photoexcitation of the prototypical multiferroic BiFeO3, which are the origin of a quasi-instantaneous and spatially inhomogeneous stress that drives coherent phonons in a thin film of the multiferroic. In a structurally imperfect thin film of the ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, the ultrafast reciprocal-space mapping technique was applied to follow a purely strain-induced change of mosaicity on a picosecond time scale. These results point to a strong coupling of in- and out-of-plane atomic motion exclusively mediated by structural defects. / Im Rahmen dieser Arbeit habe ich mich mit den komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen- und Gitterdynamik in oxidischen Perowskit-Nanostrukturen beschäftigt. Dazu wurden verschiedene Proben mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen angeregt. Um die zeitliche Entwicklung der induzierten atomaren Umordnung zu untersuchen, wurden Femtosekunden-Pulse harter Röntgenstrahlung genutzt. Zunächst wurde die ultraschnelle Gitterdynamik in einfachen Modellsystemen mit zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsexperimenten untersucht, um im Anschluss ähnliche Experimente an komplexeren Materialien mit mehreren Freiheitsgraden interpretieren zu können. Die Bewegung der Atome in einem Kristall kann über Anrege-Abtast-Verfahren direkt mit gepulster, harter Röntgenstrahlung gemessen werden. Die Dauer der Röntgenpulse muss dafür einige hundert Femtosekunden kurz sein. Um diese ultrakurzen Röntgenpulse zu erzeugen, habe ich eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle aufgebaut. Der Aufbau wurde um ein stabiles Goniometer, einen zweidimensionalen Röntgendetektor und einen kryogenfreien Kryostat erweitert und in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Winkelauflösung optimiert. Durch die Entwicklung einer schnellen Methode zur Vermessung des reziproken Raums konnte erstmals an solch einer Quelle eine zweidimensionale Strukturanalyse mit Femtosekunden-Zeitauflösung realisiert werden. Die Anregung und Ausbreitung von kohärenten Phononen habe ich in optisch angeregten Dünnfilm- und Übergitterstrukturen untersucht. Eine entscheidende Rolle spielen dabei metallische SrRuO3 Schichten. Durch die quasi-instantane Kopplung des Gitters an die optisch angeregten Elektronen in SrRuO3 wird ein räumlich und zeitlich wohldefiniertes Druckprofil erzeugt. Dadurch kann der Einfluss der resultierenden kohärenten Gitterdynamik auf die zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsdaten im Detail verstanden werden. Beobachtet wurde z.B. das Auftreten einer transienten Aufspaltung eines Bragg-Reflexes bei Dünnfilm- und Übergitterstrukturen aus SrRuO3. Außerdem wurde eine umfangreiche Simulationsumgebung entwickelt, mit deren Hilfe die ultraschnelle Dynamik und die dazugehörigen Röntgendiffraktionssignale in optisch angeregten eindimensionalen Kristallstrukturen berechnet werden können. Der von mir entwickelte experimentelle Aufbau sowie das Simulationspaket zur Datenanalyse und -interpretation wurden anschließend für die Untersuchung kohärenter Phononen in komplexeren Materialsystemen eingesetzt. Im Speziellen konnte ich in multiferroischem BiFeO3 eine stark lokalisierte Ladungsträgerverteilung nach einer optischen Femtosekunden-Anregung nachweisen. Sie ist die Ursache für einen quasi-instantanen und räumlich inhomogenen Druck, der die kohärenten Phononen in einem dünnen Film dieses Multiferroikums erzeugt. Außerdem habe ich die ultraschnelle Vermessung des reziproken Raums angewendet, um eine verzerrungsinduzierte Veränderung der Mosaizität in einem strukturell unvollkommenen Film aus ferroelektrischem Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 zu verfolgen. Die Ergebnisse deuten auf eine ausschließlich durch strukturelle Defekte vermittelte Kopplung der atomaren Bewegungen parallel und senkrecht zur Flächennormalen des Filmes hin.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die CH4-Oxidation an LaFeO3-Katalysatoren unter CH4-reichen und O2-reichen Reaktionsbedingungen betrachtet. Durch Analyse der Struktur-Aktivitätsbeziehungen wird gezeigt, dass eine Kombination von hoher BET-Oberfläche und großer Anzahl an 6-fach von Sauerstoff koordinierten perowskitischen Fe3+-Spezies für eine hohe CH4-Oxidationsaktivität vorteilhaft ist. Mit dem aktivsten LaFeO3-Perowskit kann Sauerstoff unter technisch relevanten Bedingungen bereits bei Temperaturen unterhalb von 350 °C vollständig aus Biogas entfernt werden. Mit einem auf dem Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus basierenden kinetischen Modell kann die Methanoxidation unter CH4-reichen Bedingungen erfolgreich simuliert werden. Weiterhin kann der aktivste LaFeO3-Katalysator unter O2-reichen Bedingungen zur Oxidation von Formaldehyd im Abgas magerer Gasmotoren im Temperaturbereich von 350 bis 500 °C eingesetzt werden.:1. Einleitung und Problemstellung 1 2. Einführung in die Literatur 5 2.1. Die Perowskitstruktur 5 2.2. Verwendung von Perowskiten als Katalysatoren 7 2.2.1. CH4-Oxidation 7 2.2.2. CO-Oxidation 12 2.2.3. Oxidation weiterer Kohlenwasserstoffe 14 2.2.4. Minderung von Stickoxiden 16 2.2.5. Weitere katalytische Anwendungen 17 2.3. Katalytische CH4-Oxidation an Edelmetallkatalysatoren 18 2.4. Reaktive Sauerstoffspezies von Perowskitkatalysatoren 20 3. Experimenteller Teil 22 3.1. Synthese von LaFeO3-Katalysatoren 22 3.1.1. PVA-Synthese 22 3.1.2. Citratsynthese 23 3.1.3. Pechini-Synthese 24 3.1.4. NH3-Selbstverbrennung 24 3.1.5. Glycinselbstverbrennung 25 3.1.6. Herstellung von Granulaten 25 3.1.7. Herstellung beschichteter Wabenkatalysatoren 26 3.2. Verwendete Laborapparatur 27 3.3. Charakterisierung der Katalysatoren 28 3.3.1. N2-Physisorption 29 3.3.2. Temperaturprogrammierte Desorption von NH3 30 3.3.3. Temperaturprogrammierte Reduktion mit H2 31 3.3.4. Röntgendiffraktometrie 33 3.3.5. Mößbauerspektroskopie 34 3.3.6. Röntgenphotoelektronenspektroskopie 35 3.4. Katalytische Untersuchungen 36 3.4.1. CH4-Oxidation an LaFeO3-Pulverkatalysatoren im CH4-Überschuss 36 3.4.2. Hydrothermale Alterung des aktivsten LaFeO3-Katalysators 39 3.4.3. Experimentelle Untersuchungen zum Isotopenaustausch mit 18O2 39 3.4.4. Katalytische Aktivitätsmessungen unter sauerstoffreichen Reaktionsbedingungen 41 3.4.5. Testung beschichteter Waben unter sauerstoffreichen Reaktionsbedingungen 42 3.4.6. Untersuchungen zur Verweilzeitverteilung 43 4. Auswertung und Diskussion der Ergebnisse 45 4.1. CH4-Oxidationsaktivität und physikalisch-chemische Eigenschaften der mittels verschiedener Synthesetechniken hergestellten LaFeO3- Katalysatoren 45 4.2. Struktur-Aktivitätskorrelation der mittels Citratsynthese hergestellten LaFeO3-Katalysatoren 49 4.3. Einfluss der Substitution von La durch Ce oder K auf die CH4- Oxidationsaktivität von LaFeO3-Katalysatoren 68 4.4. Einfluss der Raumgeschwindigkeit auf die CH4-Oxidationsaktivität des aktivsten LaFeO3-Katalysators 79 4.5. Einfluss des O2- und CH4-Gehalts im Gasstrom auf die CH4- Oxidationsaktivität des aktivsten LaFeO3-Katalysators 81 4.6. Einfluss der hydrothermalen Alterung auf die CH4-Oxidationsaktivität des aktivsten LaFeO3-Katalysators 84 4.7. Isotopenaustausch mit 18O2 87 4.8. Kinetische Modellierung der CH4-Oxidation unter CH4-reichen Bedingungen am aktivsten LaFeO3-Katalysator 95 4.8.1. Formalkinetischer Ansatz 97 4.8.2. Kinetischer Ansatz auf Basis eines Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus 103 4.8.3. Vergleich der beiden kinetischen Modelle 110 4.9. CH4-Oxidation an LaFeO3-Katalysatoren im Sauerstoffüberschuss 112 4.10. Kombinierte Entfernung von CH4, CO und Formaldehyd an mit dem aktivsten LaFeO3-Katalysator beschichteten Mullit-Wabenträgern aus dem Abgas von mager betriebenen Gasmotoren 117 4.11. Anwendung des kinetischen Langmuir-Hinshelwood-Modells auf die CH4- Oxidation am aktivsten LaFeO3-Katalysator unter O2-reichen Reaktionsbedingungen 123 5. Zusammenfassung und Ausblick 130 6. Literaturverzeichnis 134 7. Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen 145 8. Anhang 148