ARPES investigations on in situ PLD grown YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i>

Depuis la découverte des oxides de cuivres supraconducteurs à haute temperature critique, le composé YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> a fait l'objet de nombreuses études aussi bien expérimentales que théoriques. Récemment, ce matériel a été reconsidéré lorsque les oscillations quantiques sous champ magnétique ont révélé, dans le régime sous-dopé de la phase ordonnée ortho-II YBa₂Cu₃O_6.5, que la surface de Fermi se reconstruit sous une ou plusieurs poches. Une des plus puissante techniques expérimentales pour étudier la Fermiologie ainsi que les propriétés électroniques des matériaux est la photoémission résolue en angle (ARPES). Cette méthode nécessite une surface cristalline propre et plate normalement obtenue après clivage. Cependant, le composé YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> ne possède pas de plan de clivage naturel et dûe à la polarité du matériel, la surface clivée devient surdopé même si le cristal est à l'origine sous-dopé. Par conséquent, les expériences de photoémission résolue en angle sur les mono-cristaux d’ YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> sont considérées difficiles et peu de détails sur leurs propriétés électroniques ont été accessibles. <br> Ce travail de thèse présente l'étude de couches minces d’ YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i>élaborées <i>in situ</i> par ablation laser pulsé (PLD) pour des mesures de photoémission résolue en angle. Grâce à un contrôle minutieux de la croissance, les films présentent une surface sous-dopé avec au sein des chaînes CuO, un ordre des oxygènes vacants résultant à un clair repliement de bandes à la surface de Fermi liée à l'ortho-II. Cette étude démontre l'importance d'avoir une surface avec la correcte concentration de porteurs mais aussi propre et ordonnée afin que les données de photoémission sur ce composé représentent les propriétés électroniques du cristal. De plus, l'élaboration des films d’ YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> est décrite et une observation méticuleuse de la symétrie du gap supraconduteur ainsi que du pseudogap de la surface ortho-II y est présentée., Since the discovery of high-temperature superconductivity in layered copper oxides, the YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> compound has been the subject of many experimental and theoretical studies. Recently, the interest in this material was renewed when quantum oscillation experiments in high magnetic fields of underdoped ortho-II ordered YBa₂Cu₃O_6.5revealed that the Fermi surface reconstructs into one or several pockets. One of the most powerful techniques to study the Fermiology and electronic properties of a material, is angle-resolved photo-electron spectroscopy (ARPES). This technique requires a flat and clean crystalline surface usually obtained after cleaving. However, YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> does not have a natural cleavage plane and due to polarity, the cleaved surface tends to be strongly overdoped even though the bulk is underdoped. As a results, ARPES experiments on YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> single crystals are considered delicate and details of the electronic properties have remained elusive. <br> This thesis work presents an ARPES study of YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> films <i>in situ</i> grown by pulsed laser deposition (PLD). Through a careful control of the growth, the films present underdoped surfaces with ordered oxygen vacancies within the CuO chains resulting in a clear ortho-II band folding of the Fermi surface. This study demonstrates the importance of having not only the correct surface carrier concentration, but also a very well ordered clean surface in order to obtain photoemission data on this compound that is representative of the <i>bulk</i> electronic properties. Further, the elaboration of the YBa₂Cu₃O_7-<i>δ</i> film growth is described and a careful investigation of the superconducting gap symmetry as well as pseudogap state of the ortho-II surface is presented.

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2011