In the past decades correlated-electron physics due to strong Coulomb interactions and topological physics caused by band inversion often induced by strong spin-orbit coupling have been the workhorses of solid state research.
While commonly considered as disparate phenomena, it was realized in the early 2010s that the interplay between the comparably strong Coulomb and spin-orbit interactions in the $5d$ transition metal oxides may result in hitherto unforeseen properties.
The layered perovskite Sr$\textsubscript{2}$IrO$\textsubscript{4}$ has attracted special attention due to the observation of an unconventional Mott-insulating phase and predictions of exotic superconductivity.
Less is known about its three-dimensional counterpart SrIrO$\textsubscript{3}$, since rather than the cubic perovskite structure it adopts the thermodynamically stable hexagonal polymorph thereof.
This thesis therefore sets out to establish the synthesis of epitaxially stabilized perovskite SrIrO$\textsubscript{3}$ by pulsed laser deposition and to investigate its electronic and magnetic structure by state-of-the-art x-ray spectroscopy techniques.
In this endeavor the appropriate thermodynamic conditions for the growth of high-quality SrIrO$\textsubscript{3}$ are identified with a focus on the prevention of cation off-stoichiometry and the sustainment of layer-by-layer growth.
In the thus-optimized films the cubic perovskite symmetry is broken by a tetragonal distortion due to epitaxial strain and additional cooperative rotations of the IrO$\textsubscript{6}$ octahedra.
As a consequence of the thermodynamic instability of the IrO$\textsubscript{2}$ surface layer, the films unexpectedly undergo a conversion to a SrO termination during growth.
In an attempt to disentangle the interplay between spin-orbit and Coulomb interaction the three-dimensional electronic structure of perovskite SrIrO$\textsubscript{3}$ is investigated in a combined experimental and theoretical approach using soft x-ray angle-resolved photoelectron spectroscopy and \textit{ab initio} density functional theory calculations.
The experimentally found metallic ground state hosts coherent quasiparticle peaks with a well-defined Fermi surface and is theoretically described by a single half-filled band with effective total angular momentum $J_\text{eff} = 1/2$ only upon incorporation of a sizeable local Coulomb repulsion and -- to a lesser extent -- the broken cubic crystal symmetry in the film.
Upon reduction of the SrIrO$\textsubscript{3}$ thickness below a threshold of four unit cells the scales are tipped in favor of a Mott-insulating phase as the on-site Coulomb repulsion surmounts the diminishing kinetic energy upon transition into the two-dimensional regime.
Concomitantly, a structural transition occurs because the corner-shared octahedral network between substrate and film imposes constraints upon the IrO$\textsubscript{6}$ octahedral rotations in the thin-film limit.
The striking similarity between the quasi-two-dimensional spin-orbit-induced Mott insulator Sr$\textsubscript{2}$IrO$\textsubscript{4}$ and SrO-terminated SrIrO$\textsubscript{3}$ in the monolayer limit underlines the importance of dimensionality for the metal-insulator transition and possibly opens a new avenue towards the realization of exotic superconductivity in iridate compounds.
Whether the analogy between SrIrO$\textsubscript{3}$ in the two-dimensional limit and its Ruddlesden-Popper bulk counterparts extends to their complex magnetic properties ultimately remains an open question, although no indications for a remanent (anti)ferromagnetic order were found.
The unprecedented observation of an x-ray magnetic circular dichroism at the O~$K$-absorption edge of iridium oxides in an external magnetic field promises deeper insights into the intricate connection between the $J_\text{eff} = 1/2$ pseudospin state, its hybridization with the oxygen ligand states and the magnetic order found in the Ruddlesden-Popper iridates. / In den vergangenen Jahrzehnten waren die Physik korrelierter Elektronen aufgrund starker Coulomb- sowie topologische Physik aufgrund durch Spin-Bahn-Wechselwirkung induzierter Bandinversion die Zugpferde der Festkörperforschung.
Während diese zuvor gemeinhin als disjunkt wahrgenommen wurden, setzte sich Anfang der 2010er Jahre die Einsicht durch, dass das Zusammenspiel der ähnlich starken Coulomb- und Spin-Bahn-Wechselwirkung in $5d$ Übergangsmetalloxiden zu unvorhergesehenen Eigenschaften führen kann.
Bedingt durch die Entdeckung einer unkonventionellen Mott-isolierenden Phase sowie Vorhersagen exotischer Supraleitung wurde dem geschichteten Perowskit Sr$\textsubscript{2}$IrO$\textsubscript{4}$ besondere Aufmerksamkeit zuteil.
Über dessen dreidimensionales Pendant SrIrO$\textsubscript{3}$ ist weniger bekannt, da es anstelle der kubischen Perowskitstruktur eine thermodynamisch stabilere polymorphe Gitterstruktur annimmt.
Ziel dieser Thesis ist daher die Synthese von epitaktisch stabilisiertem Perowskit-SrIrO$\textsubscript{3}$ mittels gepulster Laserablation sowie die Untersuchung dessen elektronischer und magnetischer Struktur mit modernsten Röntgenspektroskopiemethoden.
In diesem Bestreben werden zunächst die thermodynamischen Bedingungen für das Wachstum von qualitativ hochwertigem SrIrO$\textsubscript{3}$ mit dem Fokus auf der kationischen Stöchiometrie sowie dem Erreichen lagenweisen Schichtwachstums identifiziert.
In derart optimierten Filmen wird die kubische Symmetrie von einer tetragonalen Verzerrung aufgrund epitaktischer Verspannung sowie von kooperativen Verdrehungen der IrO$\textsubscript{6}$ Oktaeder gebrochen.
Während des Wachstums findet infolge der thermodynamischen Instabilität der obersten IrO$\textsubscript{2}$ Lage eine Umwandlung zu einer SrO-Terminierung der Oberfläche statt.
Mit dem Ziel das Zusammenspiel von Spin-Bahn- und Coulomb-Wechselwirkung in SrIrO$\textsubscript{3}$ zu entwirren wird dessen dreidimensionale elektronische Struktur in Kombination von winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie im weichen Röntgenbereich und \textit{ab initio} Dichtefunktionaltheorie untersucht.
Der experimentell beobachtete metallische Grundzustand weist kohärente Quasiteilchenzustände mit wohldefinierter Fermifläche auf und wird theoretisch durch ein halbgefülltes Band mit effektivem Gesamtdrehmoment $J_\text{eff} =1/2$ beschrieben, sofern eine substanzielle lokale Coulombabstoßung sowie - in geringerem Maße - die gebrochene kubische Symmetrie berücksichtigt werden.
Bei Schichtdicken unterhalb von vier Einheitszellen neigt sich das Gleichgewicht zugunsten einer Mott-isolierenden Phase, da die lokale Coulombabstoßung die im Zweidimensionalen reduzierte kinetische Energie zunehmend überwiegt.
Gleichzeitig findet ein struktureller Übergang statt, da das Netzwerk aus Sauerstoffoktaedern deren Rotationen in dünnen Filmen Randbedingungen auferlegt.
Die verblüffende Ähnlichkeit zwischen dem quasi-zweidimensionalen Mott-Isolator Sr$\textsubscript{2}$IrO$\textsubscript{4}$ und SrO-terminiertem Monolagen-SrIrO$\textsubscript{3}$ unterstreicht die Bedeutung der Dimensionalität für den Metall-Isolator-Übergang und eröffnet neue Möglichkeiten zur Realisierung exotischer Supraleitung in Iridaten.
Die Frage, ob sich die Analogie zwischen SrIrO$\textsubscript{3}$ im zweidimensionalen Limes und den quasi-zweidimensionalen Ruddlesden-Popper-Iridaten auf deren komplexe magnetische Eigenschaften erstreckt, bleibt schlussendlich offen, gleichwohl keine Hinweise auf eine remanente (anti-)ferromagnetische Ordnung hindeuten.
Die bisher erste Beobachtung eines magnetischen Zirkulardichroismus an der O~$K$-Absorptionskante eines Iridiumoxids in einem externen Magnetfeld verspricht tiefere Einsichten in den komplexen Zusammenhang zwischen dem $J_\text{eff} = 1/2$ Pseudospin-Zustand, dessen Hybridisierung mit den Valenzzuständen der Sauerstoffliganden sowie der magnetischen Ordnung in Iridatverbindungen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:21278 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Schütz, Philipp |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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