| dc.description.abstractger | Die vorliegende Arbeit hat sich mit dem Materialsystem Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3) befasst. Das Interesse lag darin, dünne Schichten dieser Materialserie von sehr hoher Qualität herzustellen, um sie für Untersuchungen des elektrischen Transports nutzen zu können.
Zur Herstellung der Dünnfilme mit Hilfe der MAD-Technik, sind (001)-orientiertes SrTiO_(3), vicinales SrTiO_(3) ((001)-orientiert + 3° Verkippung), (110)-orientiertes NdGaO_(3) und vicinales NdGaO_(3) ((110)-orientiert + 3°-Verkippung) verwendet worden. Es hat sich herausgestellt, dass SrTiO_(3) besonders gut geeignet ist, um SrRuO_(3) herzustellen und CaRuO3 qualitativ hochwertige Eigenschaften auf NdGaO_(3) entwickelt. Großen Einfluss hat dabei die Gitterfehlpassung. Sie beträgt ca. │0,5│% für CaRuO_(3)/NdGaO_(3) und auch für SrRuO_(3)/SrTiO_(3). Beide Schicht-Substrat Kombinationen erreichen einen RRR≈30 (nicht vicinale Substrate), bei sehr geringen Oberflächenrauigkeiten, welches eindeutige Anzeichen für eine gute Probenqualität sind. Wird CaRuO_(3) dagegen auf SrTiO_(3) hergestellt und SrRuO_(3) auf NdGaO_(3), geht der erhebliche Anstieg der Gitterfehlpassung von mehr als │2│%, mit erheblichen Qualitätseinbußen einher. Der RRR sinkt auf einen Wert von 15. Vergleichbare Gitterfehlpassungen, zwischen Substrat und Schicht, ergeben ungefähr gleiche Restwiderstandsverhältnisse für SrRuO_(3) und CaRuO_(3). Die Gitterfehlpassung hat also erheblichen Einfluss auf die Probenqualität und limitiert diese auch. TEM-Messungen zeigen, CaRuO_(3) bildet auf SrTiO_(3), zusätzlich eine Multidomänenstruktur mit 90°-Domänengrenzen aus, welche auch mit Depositionsmaterial gefüllt sein können. Dabei sind die Kristallite der Schicht um 90° relativ zueinander gedreht. Als Ursache ist die große Gitterfehlpassung zu sehen. TEM-Untersuchungen von Sr_(0.2)Ca_(0.8)RuO_(3)/SrTiO_(3) offenbaren ebenfalls eine Multidomänenstruktur, wie sie schon in ähnlicher Form in CaRuO_(3)/SrTiO_(3) entstanden ist. Die Gitterfehlpassung beträgt in dem Fall -1,6 %. Infolgedessen ist NdGaO_(3) eingesetzt worden, um Proben im Bereich x=0,7 bis x=0,9 herzustellen, da die Gitterfehlpassung < ±0,4 % ist. Anzeichen eine Multidomänenstruktur existieren in diesen Fällen nicht. Dass bedeutet, eine große Gitterfehlpassung >1 % fördert die Entstehung von Domänengrenzen, während diese Erscheinung durch eine geringe Gitterfehlpassung < 1 % verhindert wird. Das Wachstum dotierter Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3)-Schichten ergibt nur kleine Restwiderstandsverhältnisse, welche weitestgehend unabhängig von der Gitterfehlpassung, also von der Wahl des Substrats, sind. Das maximal erreichbare RRR beträgt 6. Folglich wird der elektrische Transport in dotierten Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3)-Schichten von Unordnungsbeiträgen dominiert. Diese Unordnungsbeiträge sorgen sorgar teilweise für die Ausbildung von isolierendem Verhalten bei tiefen Temperaturen im elektrischen Widerstand, erkennbar durch einen negativen Anstieg in dρ⁄dT. Dieses Phänomen rührt nicht von den Domänengrenzen her, da auch Proben ohne Domänenstruktur ein isolierendes Verhalten bei tiefen Temperaturen zeigen. Zuchtversuche von ungefähr 70 nm dicken CaRuO_(3) auf vicinalem NdGaO_(3) haben eine erhebliche Qualitätssteigerung, im Vergleich zum nicht-vicinalem NdGaO_(3), ergeben. Das RRR ist um bis zu 40% größer. Die Wachstumsmode geht vom Lagenwachstum ins Stufenwachstum über. Vicinale Substrate besitzen auf ihrer Oberfläche, aufgrund des Verkippungswinkels, Stufen definierter Größe, deren Kanten als bevorzugte Anlagerungsstellen für Adatome dienen. Das erlaubt ein gerichteteres Wachstum auf vicinalen Substraten, im Vergleich zu nicht-vicinalen Substraten und erklärt den Qualitätsgewinn bei gleichen Präparationsparametern.
Eine Reduktion der Schichtdicke, senkt das Restwiderstandsverhältnis der CaRuO_(3)-Schichten, aufgrund einer relativen Zunahme der Oberflächenstreuungsbeiträge. Eine sehr geringe Schichtdicke führt zusätzlich zu einer sehr kleinen out-of-plane-Gitterkonstante, welche bis zu 7 % vom Bulk-Wert abweicht. Das zeigt eine vollkommene Verspannung dieser Schichten auf. Große Schichtdicken ergeben größere Gitterkonstanten, welche jedoch um 4 % kleiner als bekannte Bulk-Werte sind. Folglich erreicht man mit höheren Schichtdicken eine teilweise Relaxation des Dünnfilms.
CaRuO_(3) ist von besonderem Intresse, aufgrund seiner Nähe zum Quantenphasenübergang, welcher in Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3) bei x=0,73 zu erwarten ist. Für CaRuO_(3) ist durch die Verwendung von vicinalem NdGaO_(3) mit einem Verkippungswinkel von 3° ein RRR von 57 erreicht worden, welcher mit besten SrRuO_(3)-Dünnfilmen vergleichbar ist [21]. Die Stufenwachstumsmode offenbart Stufen von 10 nm Höhe und 220 nm Breite. Adaptiert vom Substrat, weist auch der Dünnfilm eine Verkippung von 3° auf. Zusammen mit der deutlich erkennbaren Vorzugsrichtung der Stufen, kann auf eine in-plane-Epitaxie geschlossen werden. Eine out-of-plane Epitaxie wurde mittels Röntgenanalyse nachgewiesen. TEM-Messungen hoher Auflösung zeigen homogenes Wachstum. Die aussergewöhnlich hohe Qualität unserer CaRuO_(3)-Schichten bestätigt sich zu guter letzt in den gewonnenen Shubnikov-de-Haas-Oszillationen. Im Tieftemperaturmagnetowiderstand von CaRuO-(3) sind erstmals Quantenosziallationen beobachtet worden. Die Messungen bis 18 T fanden in einem Oxford-Entmischungskrostat und zwischen 25 T und 35 T in einem Hochfeldelektromagneten statt. Die hervorgetretene Oszillationsfrequenz von 470 T, enspricht einer Fermioberfläche von 4,5×10^(14) 1/cm^(2) und einem Betrag des Fermiwellenvektors von 1,2×10^(9)m^(-1). Die Temperaturabhängigkeit der Shubnikov-de-Haas-Amplitude folgt dem erwarteten Lifshitz-Kosevich-Verhalten mit einer effektive Masse von m*=5,7m_(e). Um der Oszillationsfrequenz von 470 T einem Orbit der Fermifläche zuordnen zu können, wurde zusätzlich das Magnetfeld in seiner Richtung relativ zur Filmnormalen gedreht und anschließend ein Vergleich mit LDA-Simulationen von Jernej Mravlej durchgeführt. Die Drehung des Magnetfeldes bis hin zu 40°, hat eine weitere Frequenz in Erscheinung gebracht. Mit Hilfe der LDA-Ergebnisse war eine eindeutige Zuordnung zu den Orbits δ2 und β3 der Fermifläche möglich (siehe Abbildung 5.56). Die effektiven Massen dieser Orbits aus den LDA-Berechnungen betragen 1,0m_(e). Die beobachtete Zunahme der effektiven Masse der Bahn δ2 zu 5,6 m_(e), ist Elektronenkorrelationen zuzuschreiben. Die mittlere freie Weglänge der Quasiteilchen beträgt 38 nm und deren Relaxationszeit 1,5 ps bei 50 mK.
Unsere Ergebnisse des temperaturabhängigen Widerstandes im mK-Bereich haben erstmals die Beobachtung einer T^(2)-Abhängigkeit, unterhalb einer Temperatur T_(FL)=1,5K, möglich gemacht. Das beweist, CaRuO_(3) ist eine Fermiflüssigkeit. Damit ist die Vorstellung eines NFL-Grundzustands widerlegt. Die Daten demonstrieren ein fragilen Fermiflüssigkeitszustand und ein robustes NFL-Verhalten in seiner Nähe. Die Kohärenzskala T_(FL) steigt stark im äußeren Magnetfeld an, während der A-Koeffizient des Widerstandes bis 16 T um einen Faktor 2 sinkt. Das spiegelt einen entscheidenden Einfluss von Spinfluktuationen auf die elektronischen Eigenschaften wider und das diese im Magnetfeld unterdückt werden. Damit verhält sich CaRuO_(3) vollkommen umgekehrt zu Sr_(3)Ru_(2)O_(7), in dem die Spinfluktuationen durch ein äußeres Magnetfeld verstärkt werden, bei gleichzeitiger Reduktion von T_(FL). T_(FL) von CaRuO_(3) ist sehr klein und auch wesentlich kleiner als für Sr_(3)Ru_(2)O_(7), in dem die Kohärenzskala 7 K beträgt [100]. Von theoretischer Seite kann CaRuO_(3) scheinbar den Hundschen Metallen zugeordnet werden [9], deren Fermiflüssigkeitsgrundzustand, durch die Wechselwirkung der Quasiteilchen mit lokalen Momenten überdeckt wird, und Nicht-Fermiflüssigkeitsverhalten oberhalb von T_(FL) zu Tage tritt. Die in dieser Arbeit hervorgebrachten Ergebnisse unterstützen diese Vermutung. | de |
| dc.description.abstracteng | The present document deals with the material system Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3). The deposition of highest quality thin films was the central interest as the requirement for the research of electrical transport.
Thin films are produced with MAD technique (Metalorganic Aerosol Deposition) under the use of following substrates: (001)-oriented SrTiO_(3), vicinal SrTiO_(3) ((001)-oriented + 3° miscut angle), (110)-oriented NdGaO_(3) and vicinal NdGaO_(3) ((110)-oriented + 3° miscut angle). We found out that SrTiO_(3) is especially suitable to grow high quality SrRuO_(3) and CaRuO_(3) developed high-quality properties on top of NdGaO_(3). This is strongly influenced by the lattice mismatch which takes values of around │0,5│ % for CaRuO_(3)/NdGaO_(3) and also for SrRuO_(3)/SrTiO_(3). Both film-substrate combinations reach residual resistivity ratios (RRR) of around 30 (not for vicinal substrates) together with lowest surface roughness, which are clearly indicators for good sample quality. Is CaRuO_(3) produced on SrTiO_(3) and SrRuO_(3) on NdGaO_(3) the strong increase of lattice mismatch to values of around │2│% goes hand in hand with quality loss. The RRR is reduced to 15. Comparable lattice mismatches between substrate and film result in similar RRRs for SrRuO_(3) and CaRuO_(3). The lattice mismatch substantially influences the sample quality and is limited by this. TEM measurements show an additional multidomain crystal structure for CaRuO_(3)/SrTiO_(3) with 90°-domain boundaries, which can be filled by deposition material. Crystallites of these films are rotated by 90 degree relatively to each other. Reason for that is the high lattice mismatch. TEM-studies of Sr_(0.2)Ca_(0.8)RuO_(3)/SrTiO_(3) also reveal multidomain structure similar to that developed in CaRuO_(3)/SrTiO_(3). In this case a lattice mismatch of -1,6 % exist. Because of these findings we produced samples with x=0,7 up to x=0,9 on NdGaO_(3)-substrate with lattice mismatches smaller than ±0,4 %. Hints for multidomain structure don`t exist for these samples. That means lattice mismatches higher than 1% facilitate formation of domain boundaries during small lattice mismatches < 1% avoid the appearance. Growth of doped Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3)-thin films result in very low RRRs independent of lattice mismatch and the choice of substrate. Highest values are 6. From this it follows that electrical transport is dominated by disorder. Disorder partially results in insulating behavior at low temperatures where the electrical resistivity shows negative slope in dρ⁄dT. This phenomenon don`t come from domain boundaries because samples without domain structure also can show insulating behavior at low temperatures. A strong increase of CaRuO_(3) sample quality is reached by the use of vicinal NdGaO_(3)-substrates. Nearly 70 nm thick thin films have a 40 % higher RRR. The growth mode changes from layer by layer growth to step bunching growth. On the surface of vicinal substrates steps of defined size exist because of miscut angle. The edges of steps act as preferred aggregation points for adatoms. This allows a more controlled growth on vicinal substrates compared to non-vicinal substrates and explains the highered quality for same preparation parameters.
Reduction of thin film thickness lowers RRR of CaRuO_(3) because of relative increase of surface scattering. Small thin film thicknesses result additionally in a very small out of plane lattice constant, which differs 7 % from bulk value. This represent a completely strained state of thin films. The out of plane lattice constant increases for thicker thin films and differs 4% from bulk value. Partially relaxed samples are reached for higher thin film thicknesses.
CaRuO_(3) is of especially interest because of it`s existence near to a quantum phase transition which is expected at x=0,73 for Sr_(1-x)Ca_(x)RuO_(3). Under the use of vicinal NdGaO_(3)-substrate with miscut angle of 3° the RRR of CaRuO_(3) reaches values of 57. This is comparable with best SrRuO_(3)-thin films [21].The step bunching growth mode shows steps of 10 nm height and 220 nm width. Adopted from substrate thin films have also 3° miscut angle and the steps show a clearly visible preferred orientation. From this we conclude to an in plane epitaxy. The out of plane epitaxy was proofed with XRD. High resolution TEM measurements show homogeneous growth. The remarkable high quality of our CaRuO_(3)-thin films is also confirmed in obtained Shubnikov-de Haas oscillations. Quantumoscillations are proofed the first time in low temperature magnetoresistance of CaRuO_(3). Measurements up to 18 T are made in an OXFORD ^(3)He/^(4)He dilution refrigerator and fields between 25 T and 35 T were reached in a high field electromagnet in Grenoble. A oscillation frequency of 470 T appeared which correspond to a fermi surface of 4,5×10^(14) 1/cm^(2) and a length of fermi wave vector of 1,2×10^(9) m^(-1). The temperature dependency of Shubnikov-de Haas amplitude follows an expected Lifshitz-Kosevich behavior with an effective mass of m*=5,6 m_(e). To assign the oscillation frequency of 470 T to a fermi surface orbit analysis of direction dependent measurements of the frequency were necessary. The rotation of the magnetic field by 40 degree relative to the film normal results in a second frequency. We compared our results with LDA simulations by Dr. Jernej Mravlej which made a orbit identification possible (orbit δ2 and β3 of fermi surface see picture 5-56). The orbit effective masses in LDA simulations are 1,0 m_(e). The measured value of 5,6 m_(e) of the δ2 orbit is caused by electron correlations. A quasiparticle mean free path of 38 nm and a relaxationtime of 1,5 ps at 50 mK are discovered.
Our results of temperature dependent resistance in mK region first time revealed T^(2) dependency under a temperature T_(FL)=1,5 K. This proofs CaRuO_(3) as a fermi liquid (FL). The imagination of a non-fermi liquid (NFL) groundstate is refuted. The data demonstrate a fragile FL groundstate near to a NFL region. The coherence scale T_(FL) strongly increases in outer magnetic field connected with an A-coefficient decrease of the resistance by a factor of two up to 16 T. This displays the critical influence of spin fluctuations to the electronic properties and their suppression in magnetic field. With that CaRuO_(3) behaves completely controversial to Sr_(3)Ru_(2)O_(7), were spin fluctuations in outer magnetic field are reinforced while T_(FL) is reduced. T_(FL) of CaRuO_(3) is extremely small and much smaller as for Sr_(3)Ru_(2)O_(7) with a coherence scale of 7 K [100]. From theoretical side CaRuO_(3) presumably is a hunds metal [9]. Those materials have a FL qroundstate. By the interaction of quasiparticles with local moments the FL groundstate is covered by NFL behavior above their coherence scale T_(FL). The results of our research support this idea. | de |