Tuning vanadium dioxide films by extreme straining - local investigations on transition phenomena and exotic phases

• Applicants: Professor Dr. Jan Ingo Flege; Dr. Jon-Olaf Krisponeit
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 362536548

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde der Einfluss substratinduzierter Verspannung auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften ultradünner Vanadiumdioxid-Filme (VO2) untersucht. Dieses technologisch äußerst interessante Übergangsmetalloxid zeichnet sich durch einen Metall- Isolator-Übergang (MIT) und einen simultan erfolgenden strukturellen Übergang von einer leitenden, tetragonalen Rutilstruktur oberhalb von 340 K zu einer monoklinen, isolierenden Phase unterhalb aus. Frühere Untersuchungen aus der Literatur haben bereits gezeigt, dass die epitaktische Abscheidung pseudomorpher VO2-Schichten auf Substraten mit niedriger Gitterfehlanpassung (z. B. TiO2) die Möglichkeit bietet, die Übergangstemperatur für den MIT gezielt zu modifizieren. Hierbei ist es besonders interessant, wenn das Verhalten verschieden verspannter VO2-Filme simultan unter ansonsten gleichen Bedingungen untersucht werden kann, um evtl. auftretende dynamische Effekte des MIT näher charakterisieren zu können. Diese Herangehensweise erfordert den Einsatz von oberflächensensitiver In-situ-Mikroskopie und -Spektroskopie. Zur Realisierung der obigen Ziele und einer extremen Verspannung wurden durch Oxidation eines Ru(0001)-Substrats mit atomarem Sauerstoff koexistierende RuO2-Filme mit (110)-, (100)- und (101)-Orientierung und Korngrößen bis zu einiger Mikrometer gewachsen und als Template für die anschließende Abscheidung von Vanadiumdioxid eingesetzt, wobei der intendierte V4+- Oxidationszustand durch Photoelektronenspektroskopie (XPS) nachgewiesen wurde. Die Untersuchung der epitaktischen VO2-Schichten mittels lokaler Beugung niederenergetischer Elektronen (µLEED) zeigt eine Abhängigkeit der Filmrelaxation von der kristallinen Orientierung: Während die VO2(100)-Domänen relaxiert sind, weisen die (110)-orientierten Filme in der Tat die beabsichtigte Gitterfehlanpassung von 8,8% auf und liegen in der isolierenden Phase vor, wie mit zusätzlich durchgeführter Absorptions- bzw. Photoemissionsmikrospektroskopie nachgewiesen werden konnte. In nachfolgenden Experimenten mit Erhöhung der Temperatur konnte kein MIT nachgewiesen werden; dieser Befund weist offenbar auf eine epitaktische Stabilisierung der monoklinen Tieftemperaturphase durch extreme Verspannung bis zur thermodynamischen Stabilitätsgrenze der VO2-Schicht hin. Des Weiteren wurden ergänzende Experimente mit (001)- orientierten VO2-Schichten auf TiO2 durchgeführt, für die auf dem Ru(0001)-Substrat keine Oxidtemplatinseln hergestellt werden konnten. Zyklisches Aufheizen und Abkühlen bewirkte eine verspannungsinduzierte Rissbildung und, koexistent zu glatten (001)-orientierten Domänen, die Ausbildung wohlorientierter Facetten, deren Indizierung durch lokale Elektronenbeugung bestimmt werden konnte. Abschließend wurde in Pilotstudien mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) die Veränderungen in der elektronischen Bandstruktur oberhalb- und unterhalb des MIT von VO2/TiO2(110) bestimmt, welche derzeit im Rahmen von begleitenden Dichtefunktionaltheorierechnungen ausgewertet werden und die Basis für zukünftige, analoge Experimente mit extrem verspanntem Vanadiumdioxid bilden.

Publications

• “Determination of strained vanadium oxide thin film chemistry during simultaneous growth on distinct ruthenium oxide phases”, SPA-LEED Workshop, Remagen 2018
  S. Fischer, M. Foerster, L. Aballe, J. Falta, J.-O. Krisponeit und J. I. Flege
  
• “The morphology of VO2/TiO2(001) films - terraces, facets, and cracks”, 
SPA-LEED Workshop, Remagen 2018
  J.-O. Krisponeit, S. Fischer, S. Esser, V. Moshnyaga, Th. Schmidt, J. I. Flege und J. Falta
  
• “Surface reconstructions on VO2(110)”, 
Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Regensburg 2019
  J.-O. Krisponeit, S. Fischer, J. I. Flege und J. Falta
  
• “Vanadium dioxide thin films on (100)- and (110)-oriented ruthenium dioxide islands”, 
Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Regensburg 2019
  S. Fischer, M. Foerster, L. Aballe, V. Vonk, J. Falta, J.-O. Krisponeit und J. I. Flege
  
• “Strongly strained VO2 thin film growth”, 12th LEEM/PEEM workshop, 2020 (online event)
  S. Fischer, J.-O. Krisponeit, M. Foerster, L. Aballe, Jens Falta und J. I. Flege
  
• „Massively Strained VO2 Thin Film Growth on RuO2“, Crystal Growth & Design 20, 2734–2741 (2020)
  S. Fischer, J.-O. Krisponeit, M. Foerster, L. Aballe, J. Falta und J. I. Flege
  
• „The Breakdown of Mott Physics at VO2 Surfaces“, 2020
  M. J. Wahila, N. F. Quackenbush, J. T. Sadowski, J.-O. Krisponeit, J. I. Flege, R. Tran, S. P. Ong, Chr. Schlueter, T.-L. Lee, M. E. Holtz, D. A. Muller, H. Paik, D. G. Schlom, W.-C. Lee und L . F. J. Piper
  
• „The morphology of VO2/TiO2(001): terraces, facets, and cracks“, Scientific Reports 10, 22374 (2020)
  J.-O. Krisponeit, S. Fischer, S. Esser, V. Moshnyaga, Th. Schmidt, L. F. J. Piper, J. I. Flege und J. Falta
  
• “Strongly strained VO2 thin film growth“, 
Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2021 (online event)
  S. Fischer, J. I. Flege, M. Foerster, L. Aballe, J. Falta und J.-O. Krisponeit