Lattice dynamics of VO2 above the metal insulator transition

In this thesis a study of the lattice dynamics of vanadium dioxide by means of Inelastic X-ray Scattering (IXS) and Thermal Diffuse Scattering (TDS) is presented. The project was conducted at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble. The main measurements were performed at beam line ID28 using the IXS technique, while the TDS results were obtained at beam line ID23. The study of lattice dynamics allows to obtain information about the collective excitations (phonons) in a periodic lattice. Thanks to quantum mechanics, a phonon can be seen as a quasiparticle, representing an excited state of the mode of vibrations of a crystal. Knowing the phonon dispersion allows to access various material properties, such as sound velocities, elastic constants, phonon-phonon interactions, electron phonon-interactions and dynamical instabilities. For example, phonons are responsible for the spectacular phenomenon of superconductivity: electron-phonon coupling is the driving mechanism of this process, allowing to explain the behaviour of BCS superconductors. Vanadium dioxide exhibits a Metal-Insulator Transition (MIT) at about 340\, K, and this material has been widely studied along the past decades, trying to understand the mechanism driving this transformation. Here the low temperature phase is the insulating phase, while the high temperature one is metallic. The VO_{2} is neither the only vanadium oxide, nor the only transition metal oxide showing this kind of property, but it is the only one being characterized by a transition temperature so close to room temperature. In addition to being interesting from a fundamental point of view, VO_{2} has recently drawn a lot of attention since it offers a novel route to novel electronic and photonic applications. Together with the MIT, a Structural Phase Transition (SPT) takes place, suggesting that the lattice dynamics can play a crucial role across the transition. One possible model which allows to explain the MIT process is known as Peierls transition: this model attributes the radical transformation of this material to electron-lattice interactions. Nevertheless, the MIT process can also originate from electron-electron interactions, and this time the mechanism is referred to as Mott (or Mott-Hubbard) transition. Different theoretical models and a lot of experimental results have been presented to support both the explanations, but an accurate description of lattice dynamics was still missing. The aim of this work is to provide a thorough description of the lattice dynamics of VO_{2} in the metallic phase, thus above the transition temperature. Combining the IXS and TDS techniques, it is possible to obtain direct dispersion relation measurements and diffuse scattering maps. These results give a good picture of the phonon energy (and intensity) landscape, highlighting the role that lattice dynamics plays within the metal-insulator transition. The experimental results show the undeniable presence of lattice instabilities in the high temperature phase of vanadium dioxide. Indeed, low energy acoustic phonons are present in more than one high-symmetry direction of the Brillouin zone. From these results it is evident that electron-lattice interactions play an important role across the MIT, but, of course, the results themselves do not allow to exclude the presence of electron correlations.

In questa tesi è presentato lo studio della dinamica vibrazionale del diossido di vanadio (VO_{2} ), grazie all'utilizzo delle tecniche sperimentali dell'Inelastic X-ray Scattering (IXS) e del Thermal Diffuse Scattering (TDS). Il progetto è stato svolto presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, in particolare all'interno del gruppo di ID28, beamline specializzata nell'utilizzo della tecnica IXS per lo studio della dinamica vibrazionale. Le misure di scattering diffuso, invece, sono state realizzate nella beamline ID23. Lo studio della dinamica vibrazionale permette di ottenere informazioni inerenti alle eccitazioni collettive (fononi) di un reticolo periodico. Grazie alla meccanica quantistica, è possibile descrivere un fonone come una quasi-particella, che rappresenta uno stato eccitato dei modi vibrazionali di un cristallo. Le relazioni di dispersione dei fononi costituiscono un importante mezzo per conoscere svariate proprietà di un materiale, ed alcune di queste sono: velocità del suono, costanti elastiche interazioni fonone-fonone, interazioni elettrone-fonone e instabilità del reticolo. Uno dei fenomeni più famosi nel quale i fononi sono coinvolti è la superconduttività: infatti, l'interazione elettrone-fonone è in grado di spiegare il comportamento dei superconduttori che rientrano nella teoria BCS (tradizionali superconduttori a bassa temperatura di transizione). Il VO_{2} è stato ampiamente studiato durante gli ultimi decenni, principalmente grazie alla sua interessante caratteristica di mostrare una transizione metallo-isolante (MIT) alla temperatura di circa 340\, K, dove la fase a più basse temperature è quella isolante, mentre quella ad alte temperature è la fase metallica. Il VO_{2} non è né l'unico ossido di vanadio, né l'unico ossido di metalli di transizione a mostrare una MIT, ma è l'unico tra questi a possedere una temperatura di transizione così vicina alla temperatura ambiente. Inoltre, il diossido di vanadio sta recentemente attirando ulteriori attenzioni grazie a diverse applicazioni tecnologiche nelle quali può essere impiegato, sia nel campo dell'elettronica che della fotonica. Ulteriore caratteristica di questo materiale, è la presenza di un cambiamento nella struttura reticolare in concomitanza con la transizione metallo-isolante. Questo fatto porta a pensare che la dinamica vibrazionale possa giocare un ruolo importante nella MIT, grazie a interazioni elettrone-fonone che porterebbero ad una transizione ben descritta nel modello proposto da Peierls. Ciononostante, un secondo meccanismo è stato proposto per spiegare il processo di MIT: questo è il modello di Mott (o Mott-Hubbard), e si basa sull'idea di una transizione guidata da interazioni elettrone-elettrone. Molti risultati sperimentali sono stati presentati a favore di entrambi i modelli proposti, dividendo la comunità scientifica per lungo tempo. Il principale scopo di questo lavoro è quello di applicare le tecniche sopra citate, di IXS e TDS, in modo tale da fornire una accurata desrizione della dinamica vibrazionale del diossido di vanadio nella fase metallica. La combinazione di queste due tecniche sperimentali, permette di ottenere misure dirette di relazioni di dispersione e mappe di scattering diffuso. Da queste è possibile ricavare importanti informazioni inerenti al ruolo della dinamica vibrazionale nel processo di transizione metallo-isolante. I risultati sperimentali mostrano in modo innegabile la presenza di instabilità reticolari nella fase metallica del VO_{2} . Fononi acustici caratterizzati da basse energie sono presenti in più di una direzione di alta simmetria all'interno della zona di Brillouin. Risulta quindi evidente da questi risultati che interazioni elettrone-fonone sono presenti all'interno di questo sistema, prendendo parte al processo di MIT, ma ciò non permette di escludere la presenza di correlazioni elettroniche.