VO2 a prototypical Phase Change Material: spectroscopic study of the orbital contribution across the Metal Insulator Transition

VO2 is a fascinating 3d1 system undergoing a temperature triggered (67 °C) Metal Insulator Transition (MIT) coupled with a structural phase transition, from a low temperature monoclinic insulator to a high temperature tetragonal metal. Since its discovery, the MIT has been widely studied with a twofold interest: its applicative potential and its nature. Different theoretical models have been proposed to explain the occurrence of the insulating phase of VO2 like a structurally driven Peierls transition or a Mott-Hubbard transition triggered by electron mutual Coulomb repulsion. However, a clear theoretical picture is missing since VO2 properties are determined by a complex interplay among lattice, orbital and electronic degrees of freedom. Therefore, in order to exploit the MIT features for technological application, a detailed study of the influence and interplay between the different degrees of freedom is of paramount importance. With the aim of disentangling the lattice-orbital-electronic intrigue, in this thesis, four samples with different structural properties have been studied. Three thin strained films and one nanostructured disordered VO2 film have been investigated using advanced spectroscopic techniques like X-ray absorption Near Edge Structure (XANES), Resonant Photoemission (ResPES) and Constant Initial State (CIS). The combination of these techniques allowed to determine the strain influence over the multi-orbital contribution to the MIT. In addition, interesting features like Fermi Level population can be modulated tuning the strain. In the disordered sample, in which the Peierls mechanism is quenched, it has been possible observe the occurrence of a purely electronic transition, i.e. structural transition is not necessary to trigger the MIT.

Il VO2 è un affascinante sistema con configurazione 3d1 che esibisce una transizione metallo isolane (MIT) a 67°C accompagnata da una transizione strutturale, passando da una fase monoclina isolante a bassa temperatura ad una metallica tetragonale ad alta temperatura. Dalla sua scoperta, la MIT è stata ampiamente studiata sia per il suo potenziale applicativo che per investigarne la natura. Diversi modelli teorici sono stati proposti in letteratura per spiegare la natura della MIT come una transizione strutturale di Peierls o una transizione Mott-Hubbard innescata dalla repulsione Coulombiana tra gli elettroni. Tuttavia una chiara descrizione teorica non è ancora stata trovata dal momento che le proprietà del VO2 dipendono dalla complessa interazione di diversi gradi di libertà: orbitale, strutturale ed elettronico. Di conseguenza, al fine di sfruttare le caratteristiche della MIT in applicazioni tecnologiche, uno studio dettagliato dell'interazione tra i vari gradi di libertà è di fondamentale importanza. Con l'obbiettivo di sciogliere l'intreccio tra ordine reticolare, ordine degli orbitali e interazione elettronica, in questa tesi sono stati studiati quattro campioni di VO2 con proprietà strutturali differenti. Tre film sottili cristallini alla cui struttura reticolare è applicato un diverso grado di strain ed un film nanostrutturato disordinato. Questi campioni sono stati studiati tramite avanzate tecniche spettroscopiche di raggi x quali X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), Resonant Photoemission (ResPES) e Constant Initial State (CIS). La combinazione di queste tecniche ha permesso di determinare l'influenza dello strain sul contributo multi-orbitale alla MIT. in aggiunta, interessanti proprietà quali il controllo della popolazione del livelo di Fermi possono essere modulate controllando lo strain applicato. nel campione disordinato, in cui il la transizione di Peierls è inibita dalla mancanza di ordine, è stato possibile osservare una transizione puramente elettronica, cioè la prova sperimentale che la transizione strutturale non è strettamente necessaria per innescare la transizione metallo-isolante.