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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-62243
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6224/


Electronic and atomic structure at metal-oxide heterointerfaces

Elektronische und atomare Struktur an Metalloxid Grenzflächen

Schlueter, Christoph Friedrich

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SWD-Schlagwörter: Spektroskopie , Röntgenbeugung , Festkörperphysik
Freie Schlagwörter (Deutsch): Photoelektronenspektroskopie , Stehende Röntgenwellenfelder , Oberfächen und Grenzflächen , Metaloxid
Freie Schlagwörter (Englisch): X-ray standing waves , Interface formation , Photoemission and photoelectron spectra , Electron spectroscopy , High-Tc films
Basisklassifikation: 33.61 , 33.68 , 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Johnson, Robert (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.04.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 25.06.2013
Kurzfassung auf Deutsch: In der vorliegenden Arbeit wird über Untersuchungen an Oxidmaterialien berichtet. Es werden Ergebnisse präsentiert, die mittels Photoelektronenspektroskopie mit harten Röntgenstrahlen (HAXPES) sowie der Methode der stehenden Röntgenwellenfelder (XSW) gewonnen wurden. Die Kombination mit XSWs verleiht Photoelektronenspektroskopie eine Ortsempfindlichkeit mit Picometer Auflösung.

An den Grenzflächen von SrTiO$_3$ mit polaren Oxiden wie LaAlO$_3$ oder LaGaO$_3$ kommt es bei geeigneter Präparation zu der Ausbildung eines quasi zwei-dimensionalen Elektronengases (2DEG). Im Rahmen dieser Arbeit wurden an der ESRF und in Neapel hergestellte Schichten untersucht. Oberflächenröntgenbeugung bestätigt die ausgezeichnete Epitaxie der Filme. Mit Hilfe der XSW-Methode wurden Bilder der Struktur der LaAlO$_3$ Deckschichten im realen Raum rekonstruiert. Diese Bilder zeigen Verzerrungen im LaAlO$_3$ Gitter, die geeignet sind, das elektrostatische Potenzial in der Deckschicht zu verringern. Desweiteren erlauben XSW/HAXPES Messungen die Beiträge von Ti und Sr,O zum 2DEG in der Nähe des Fermi-Niveaus zu identifizieren. Die Auswertung legt nahe, dass das Ti 3d-Band das Fermi-Niveau kreuzt, jedoch auch einige Zustandsdichte auf Sauerstofffehlstellen zurückzuführen ist.

Übergitter von SrTiO$_3$ und polarem CaCuO$_2$ wurden mittels HAXPES untersucht. Die Polarität des CaCuO$_2$ sollte, ähnlich wie im Fall von SrTiO$_3$/LaAlO$_3$, zu einem divergierenden Oberflächenpotenzial führen. Ca, Sr und Ti Spektren geben Hinweise auf eine Umverteilung von Sauerstoff, die in der Lage ist dieses Potential zu kompensieren. Durch Sauerstoffbeladung werden diese Überstrukturen supraleitend T$_C$ ~ 40K. Nebenkomponenten in den Spektrallinien der Metallatome und ein neuer Abschirmungskanal in Cu 2p Rumpfniveauspektren der stärker oxidierten, supraleitenden Proben sind ein Anzeichen für die Lochdotierung der CaCuO$_2$ Blöcke.

Magnetoresistive La$_{0.65}$Sr$_{0.35}$MnO$_{3-\delta}$ Filme zeigen eine Abnahme der Leitfähigkeit und der Metall-Isolator Übergangstemperatur bei zunehmender Fehlstellenkonzentration~$\delta$. Temperaturabhängige Transport und HAXPES Messungen unterstützen einen Variable-Range Hopping Mechanismus als Ursache des isolierenden Zustands. Zusätzlich reagiert der abgeschirmte Zustand in den Mn 2p Spektren empfindlich auf $\delta$, was auf einen Rückgang der Hybridisierung der dotierten Zustände mit dem 2p Orbitalen des Sauerstoffs deutet.
Kurzfassung auf Englisch: The results of a series of investigations on modern oxide materials using hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) combined with the X-ray standing wave (XSW) method are described in this thesis. The combination of hard X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray standing waves enables the electronic structure to be measured with a spatial resolution in the picometer range.

Under suitable preparation conditions, a quasi two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the heterointerfaces of strontium titanate (SrTiO$ _3 $) with polar oxides, such as lanthanum aluminate (LaAlO$ _3 $) or lanthanum gallate (LaGaO$ _3 $). Samples were grown at the ESRF and in Naples and surface X-ray diffraction confirmed the excellent epitaxial quality of the films. The XSW-method was used to reconstruct images of the structure of LaAlO$ _3 $ layers in real space. These images give evidence of distortions in the LaAlO$_3$ structure which facilitate the compensation of the potential differences. Furthermore, XSW/HAXPES measurements permit the Ti and Sr,O contributions to the 2DEG close to the Fermi level to be identified unambiguously. The analysis shows that the 3d band crosses the Fermi level and that some density of states is associated with oxygen vacancies.


Superlattices of SrTiO$_3 $ with polar calcium cuprate (CaCuO$ _2$) were investigated by HAXPES. Similar to the case of SrTiO$ _3 $/LaAlO$ _3$, the polarity of CaCuO$_2$ should lead to a diverging surface potential. The core level spectra from Ca, Sr, and Ti show that there is a redistribution mechanism for oxygen which compensates the potential differences. When the oxygen concentration is enhanced these superstructures become superconducting (T$_C$= 40K). The increased oxidation of the superconducting material is revealed by the additional components in the core level spectra of the metal atoms and in the appearance of a new screening channel in Cu 2p core level spectra, which signals the hole doping of the CaCuO$_2$ blocks.

Magnetoresistive lanthanum strontium manganate La$_{0.65}$Sr$_{0.35}$MnO$_{3-d}$) films show a reduction in both the conductivity and the metal--insulator transition temperature with increasing vacancy concentration $\delta$. Temperature-dependent transport and HAXPES measurements support variable-range hopping as the mechanism creating the insulating phase. In addition, the screening state in the Mn 2p spectra reacts sensitive to the vacancy concentration $\delta$, which indicates a reduction in the hybridization of the doping-induced states with the 2p orbitals of oxygen.

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