Two-dimensional electron systems in functional oxides studied by photoemission spectroscopy

par Tobias Rödel

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Andrés Felipe Santander-Syro.

Soutenue le 08-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (Orsay, Essonne) (laboratoire) , Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Synchrotron SOLEIL (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Gaz bidimensionnels d’électrons dans les oxydes fonctionnels étudiés par spectroscopie de photoémission


  • Résumé

    De nombreux oxydes de métaux de transition (TMOs) possèdent des propriétés physiques complexes (ferroélectricité, magnétisme, supraconductivité à haute Tc ou magnétorésistance colossale). Les différents degrés de liberté (le réseau, la charge, le spin ou l'ordre orbitalaire) interagissent pour donner des phases différentes, très proches en énergie, qui vont former une grande variété d'états fondamentaux accessibles. La possibilité de fabriquer des hétérostructures de TMOs a encore accru la complexité de ces systèmes, de nouveaux phénomènes apparaissant aux interfaces. Un exemple typique est le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) créé à l'interface entre deux oxydes isolants, LaAlO3 et SrTiO3, qui montre une transition métal-isolant, du magnétisme ou de la supraconductivité (contrôlée par une tension de grille). Le point de départ de cette thèse a été la découverte d'un 2DEG similaire à la surface nue de SrTiO3 fracturée sous vide, rendant possible l'étude de sa structure électronique par photoémission angulaire.Dans cette thèse, l'étude de surfaces préparées, plutôt que de petites facettes fracturées, a permis l'obtention de données spectroscopiques possédant des largeurs de raie proches des valeurs intrinsèques. Il est alors possible d'étudier les effets à N corps comme la renormalisation de la self-énergie due à l'interaction électron-phonon.Ces recherches sur la structure électronique du 2DEG à la surface de SrTiO3 ont pris un tour nouveau lorsqu'une texture de spin complexe y a été mesurée par photoémission résolue en spin. Nous présentons des résultats qui contredisent ces conclusions et nous discutons des raisons pouvant expliquer ce désaccord.Une des motivations de cette thèse était de savoir si la structure électronique et les propriétés du 2DEG pouvaient être contrôlées. L'étude du 2DEG sur des surfaces (110) et (111) de SrTiO3 révèle que sa structure de bandes (ordre orbitalaire, symétrie de la surface de Fermi, masses effectives) peut être ajustée en confinant les électrons sur des surfaces de différentes orientations du même matériau.Un succès majeure est la mise en évidence de 2DEGs à la surface de nombreux autres TMOs (TiO2-anatase, CaTiO3, BaTiO3) ou d'oxydes plus simples utilisés dans les applications (ZnO). Dans tous ces oxydes, nous avons identifié les lacunes en oxygène comme étant à l'origine de la création des 2DEGs.Dans l'anatase, ou d'autres TMOs en configuration électronique initiale d0, les lacunes en oxygène produisent à la fois des électrons localisés ou itinérants (le 2DEG). Il peut être subtile de prévoir quel est le cas est le plus favorable énergétiquement comme le démontre l'étude de deux polymorphes de TiO2, anatase et rutile. Dans CaTiO3, l’octaèdre formé par les atomes d'oxygène autour du Ti est incliné. Cette rupture de symétrie provoque un mélange des orbitales d et modifie le 2DEG. Dans BaTiO3, la création d'un 2DEG entraîne la coexistence de deux phénomènes normalement incompatibles, la ferroélectricité et la métallicité, dans deux zones spatialement distinctes du même matériau. Ce travail démontre qu'un 2DEG existe aussi à la surface de ZnO qui est, contrairement aux oxydes à base de Ti, plutôt un semiconducteur conventionnel, le caractère des orbitales pour les électrons itinérants étant alors de type s et non de type d.Le principal résultat est la mise au point d'une méthode simple et versatile pour la création de 2DEGs en évaporant de l'aluminium sur des surfaces d'oxydes. Une réaction d'oxydo-réduction entre le métal et l'oxyde permet de créer un 2DEG à l'interface entre le métal oxydé et l'oxyde réduit. Dans cette thèse, les 2DEGs ont été étudiés uniquement par photoémission sous ultra-vide. Cette méthode ouvre la possibilité d'étudier ces 2DEGs dans des conditions de pression ambiante en utilisant, par exemple, des techniques de transport, un pas important vers la production de masse et à bas coûts de 2DEGs dans les oxydes pour de futures applications.


  • Résumé

    Many transition metal oxides (TMOs) show complex physics, ranging from ferroelectricity to magnetism, high-Tc superconductivity and colossal magnetoresistance. The existence of a variety of ground states often occurs as different degrees of freedom (e.g. lattice, charge, spin, orbital) interact to form different competing phases which are quite similar in energy. The capability to epitaxially grow heterostructures of TMOs increased the complexity even more as new phenomena can emerge at the interface. One typical example is the two-dimensional electron system (2DES) at the interface of two insulating oxides, namely LaAlO3/SrTiO3, which shows metal-to-insulator transitions, magnetism or gate-tunable superconductivity. The origin of this thesis was the discovery of a similar 2DES at the bare surface of SrTiO3 fractured in vacuum, making it possible to study its electronic structure by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES).In this thesis, the study of well-prepared surfaces, instead of small fractured facets, results in spectroscopic data showing line widths approaching the intrinsic value. This approach allows a detailed analysis of many-body phenomena like the renormalization of the self-energy due to electron-phonon interaction.Additionally, the understanding of the electronic structure of the 2DES at the surface of SrTiO3(001) was given an additional turn by the surprising discovery of a complex spin texture measured by spin-ARPES. In this thesis data is presented which contradicts these conclusions and discusses possible reasons for the discrepancy.One major motivation of this thesis was the question if and how the electronic structure and the properties of the 2DES can be changed or controlled. In this context, the study of 2DESs at (110) and (111) surface revealed that the electronic band structure of the 2DES (orbital ordering, symmetry of the Fermi surface, effective masses) can be tuned by confining the electrons at different surface orientations of the same material, namely SrTiO3.A major achievement of this thesis is the generalization of the existence of a 2DES in SrTiO3 to many other surfaces and interfaces of TMOs (TiO2 anatase, CaTiO3, BaTiO3) and even simpler oxides already used in modern applications (ZnO). In all these oxides, we identify oxygen vacancies as the origin for the creation of the 2DESs.In anatase and other doped d0 TMOs, both localized and itinerant electrons (2DES) can exist due to oxygen vacancies. Which of the two cases is energetically favorable depends on subtle differences as demonstrated by studying two polymorphs of the same material (anatase and rutile).In CaTiO3, the oxygen octahedron around the Ti ion is slightly tilted. This symmetry breaking results in the mixing of different d-orbitals demonstrating again why and how the electronic structure of the 2DES can be altered.In BaTiO3, the creation of a 2DES results in the coexistence of the two, usually mutual exclusive, phenomena of ferroelectricity and metallicity in the same material by spatially separating the two.Moreover, this work demonstrates that the 2DES also exists in ZnO which is - compared to the Ti-based oxides - rather a conventional semiconductor as the orbital character of the itinerant electrons is of s and not d-type.The main result of this thesis is the demonstration of a simple and versatile technique for the creation of 2DESs by evaporating Al on oxide surfaces. A redox reaction between metal and oxide results in a 2DES at the interface of the oxidized metal and the reduced oxide. In this thesis the study of such interfacial 2DESs was limited to photoemission studies in ultra high vacuum. However, this technique opens up the possibility to study 2DESs in functional oxides in ambient conditions by e.g. transport techniques, and might be an important step towards cost-efficient mass production of 2DESs in oxides for future applications.


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