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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:18635 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Scheiderer, Philipp |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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