http://www.openstarts.units.it:80/dspace/handle/10077/99 2013-05-20T04:13:24Z 2013-05-20T04:13:24Z Bisignano, Davide http://www.openstarts.units.it:80/dspace/handle/10077/8605 2013-05-10T10:16:57Z 2013-04-19T00:00:00Z

Title: Modal approach to elastic and gravity waves in laterally heterogeneous media: from tsunami to acoustic frequency range. Authors: Bisignano, Davide Abstract: Il presente lavoro di tesi presenta diverse applicazioni e sviluppi del metodo modale: in particolare, immaginando un percorso logico dalle basse alle alte frequenze, si sono considerate le onde di tsunami, onde sismiche propagantesi in strutture a forte eterogeneità laterale, fino a giungere all’applicazione del metodo al dominio acustico. Nel primo capitolo l’argomento trat- tato è quello degli tsunami (onde di gravità a lungo periodo), estendendo la tecnica modale agli tsunami e mostrando come questa metodologia consenta diversi approcci alla modellazione sia delle eterogeneità del modello strutturale che del processo di rottura sismico che genera l’onda di tsunami. Queste tecniche sono state applicate in diversi contesti, sia al fine di validarne i rela- tivi codici di calcolo (Mar Mediterraneo Occidentale, terremoto e tsunami di Tohoku del marzo 2011) che per valutare scenari di pericolosità da tsunami per le zone considerate (costa del Viet- nam, Mare Adriatico). L’argomento del secondo capitolo è la modellazione di onde sismiche che si propagano in modelli a forte eterogeneità laterale, in particolare con interfacce verticali liquido-solido. Dopo una breve introduzione teorica, vengono mostrati i risultati di alcuni test di modellazione che utilizzano vari modelli strutturali e diversi domini di frequenza (in parti- colare si arriverà a una frequenza massima di 10Hz). Quindi, andando a frequenze sempre più alte, fino a 100Hz, il pacchetto di programmi sviluppato originariamente per le onde sismiche è stato testato e, dopo gli opportuni miglioramenti, utilizzato per studiare la propagazione di onde acustiche in strutture oceaniche. Il fine di questi test, argomento del terzo e conclusivo capitolo di questo lavoro, è capire la sensibilità delle onde acustiche alle caratteristiche della struttura in cui si propagano, come ad esempio la presenza di strati solidi sedimentari a bassa veloc- ità o di un canale a bassa velocità nel liquido. Nel secondo e nel terzo capitolo lo studio dei segnali ottenuti è stata approfondita mediante un’analisi congiunta tempo-frequenza (FTAN) che ha notevolmente aiutato a capirne le caratteristiche salienti, correlate sia alla sorgente che alla struttura, confermando ulteriormente la validità e la poliedricità dell’approccio modale in questo genere di studi.; In this thesis work, we presents several applications and developments of the modal method: in particular, imagining a logical path from low to high frequencies, are considered the tsunami waves, seismic waves propagating in structures with strong lateral heterogeneity, to conclude with the application of the method to the acoustic range. The topic treated in the first chapter is the extension of the modal technique to the tsunami wavefield (long period gravity waves), showing how this methodology allows different approaches to the modeling of both heteroge- neous structural models and of the seismic rupture process that generates the tsunami. These techniques have been applied in different contexts, both in order to validate the computer codes (Western Mediterranean Sea, the Tohoku earthquake and tsunami of March 2011) and to as- sess tsunami hazard scenarios for the selected target zones (Vietnam Coasts, Adriatic Sea). The topic of the second chapter is the modeling of seismic waves propagating in strong laterally het- erogeneous models, in particular with vertical liquid-solid interfaces. After a short theoretical introduction, we shows the results of some modelling tests adopting several structural models and different frequency ranges (in particular reaching a maximum frequency of 10 Hz). Thus, going to higher frequencies, up to 100Hz, the package of programs originally developed for the seismic waves has been tested and, after appropriate improvements, used to study the propa- gation of acoustic waves in the oceanic structures. The purpose of these tests, subject of the third and final chapter of this work, is to understand the sensitivity of the acoustic waves to the characteristics of the structure in which they propagate, such as the presence of low velocity sedimentary layers or a low velocity channel in the liquid. In the second and third chapter, the study of the computed signals was complemented through a joint time-frequency analisys (FTAN) which greatly helped to understand their salient features, related to both the source and the structure, further confirming the validity and the polyhedric nature of the modal approach. Description: 2011/2012 Type: Tesi di dottorato; Doctoral Thesis

2013-04-19T00:00:00Z Olivieri, Giorgia http://www.openstarts.units.it:80/dspace/handle/10077/8589 2013-04-29T16:02:56Z 2013-04-15T00:00:00Z

Title: Organic Electronic Devices: Investigation of the Electronic Transport Properties at the Molecular Level Authors: Olivieri, Giorgia Abstract: I dispositivi elettronici basati sui semiconduttori organici sono attualmente oggetto di intensi studi dopo che la loro introduzione ha aperto la strada a un tipo di elettronica altamente versatile e a basso costo. Tuttavia è ancora necessaria una buona comprensione delle proprietà strutturali ed elettroniche dei semiconduttori organici per superare la generale bassa efficienza che i dispositivi organici presentano rispetto a quelli inorganici. I principali sforzi in questo campo della ricerca possono essere raggruppati in due categorie. Da un lato le proprietà elettriche dei semiconduttori organici vengono investigate attraverso lo studio del loro meccanismo di trasporto di carica, il quale non può essere descritto semplicemente prendendo in prestito i concetti che si applicano ai materiali inorganici. Dall'altro lato la presenza di numerose interfacce ibride che si formano tra il materiale attivo e le altri parti del dispositivo elettronico, sia metalliche che organiche, spinge lo studio delle proprietà strutturali ed elettriche di queste interfacce. In riferimento ai soggetti appena citati, in questo lavoro verranno considerati due sistemi modello: un semiconduttore organico in forma di cristallo singolo e un'interfaccia organica di tipo donore/accettore. La molecola di 4-idrossicianobenzene (4HCB) appartiene alla classe dei semiconduttori organici a cristallo singolo e forma cristalli singoli di dimensioni millimetriche che presentano proprietà di trasporto fortemente anisotropiche lungo i tre assi cristallografici. L'alto grado di purezza, il ridotto contributo di difetti e l'ordine strutturale a lungo raggio dei cristalli singoli, fà del 4HCB un sistema adatto ad investigare il meccanismo di trasporto di carica nei semiconduttori organici. La struttura elettronica della molecola di 4HCB è stata quindi completamente caratterizzata per mezzo delle tecniche spettroscopiche XPS (spettroscopia di fotoemissione a raggi X), NEXAFS (spettroscopia della struttura fine vicino alla soglia di assorbimento dei raggi X) e RPES (spettroscopia di fotoemissione risonante). La caratterizzazione standard di un film spesso di 4HCB è stata combinata con il metodo chiamato "core-hole clock", attraverso il quale è possibile misurare il tempo di trasferimento di carica, tra molecole di 4HCB, di un elettrone di core eccitato in maniera risonante. Dalla misura della RPES sulla soglia dell'azoto risulta che sia il LUMO che il LUMO+2 sono degli stati elettronici nei quali l'elettrone eccitato ha un breve tempo di vita, poichè il tempo di trasferimento di carica è uguale a 0.9 e 1.4 fs nei due casi. Questa evidenza suggerisce che il trasporto di carica è mediato dai gruppi ciano del 4HCB e i due diversi valori trovati indicano che c'è una direzionalità nel trasporto di carica. Il secondo problema, quello delle interfacce ibride, viene affrontato studiando tre sistemi etero-organici donore/accettore costituiti dall'accoppiamento di tre diverse molecole derivate dalla molecola di esabenzocoronene (HBC), che sono il f-HCB, il c-HBC e il DBTTC, con il fullerene (C60). A causa della forma complementare delle molecole donore/accettore, sia l'inrfaccia c-HBC/C60 che quella DBTTC/C60 presentano una struttura supramolecolare autoassemblante nella quale le molecole di C60 sono intrecciate nella struttura ben ordinata del materiale donore. Lo stesso tipo di struttura supramolecolare non si osserva per l' interfaccia f-HCB/C60 nella quale la geometria piatta del f-HCB non combacia con la forma del C60. Questo ordine supramolecolare è stato sfruttato nei dispositivi fotovoltaici organici per aumentarne l'efficienza. Lo studio dettagliato della morfologia di questi sistemi a due strati, fatto sfruttando le tecniche spettroscopiche basate sulla luce di sincrotrone, rivela che mentre il f-HBC/C60 si può approssimare bene con un puro sistema a due strati, gli altri due sistemi presentano una fase mista all'interfaccia che non è possibile non considerare. Inoltre per tutti i sistemi si osserva una riorientazione delle molecole di HBC all'interfaccia anche se l'effetto è meno significativo per il f-HBC mentre è molto più forte sia per il c-HBC che per il DBTTC. L'assemblamento supramolecolare promette di essere una buona via per aumentare l'efficienza dei dispositivi fotovoltaici organici attraverso la formazione di nanostrutture ordinate che presentano estese interfacce disponibili per la dissociazione degli eccitoni. Nell'ultimo capitolo viene presentata un'applicazione dei semiconduttori organici nella fabbricazione di dispositivi elettrici. Il lavoro ha lo scopo di costruire una nuovo tipo di cella solare tandem basata sul grafene che spinga l'efficenza delle celle solari organiche verso quella dei dispositivi inorganici. Il lavoro ha lo scopo di costruire una nuovo tipo di cella solare tandem basata sul grafene che spinga l'efficenza delle celle solari organiche verso quella dei dispositivi inorganici. Il grafene rappresenta un'ottima opportunità come materiale da utilizzare nello strato di ricombinazione nelle celle tandem organiche. Infatti la sua alta trasparenza, accoppiata con l'alta conduttività, potrebbe dar luogo ad uno strato di ricombinazione che presenta una conduttività laterale, permettendo la creazione di celle tandem non in serie. Qui viene descritta una nuova tecnica per trasferire il grafene su un substrato organico. Il grafene è stato trasferito con successo utilizzando un processo che è compatibile con superfici fragili e chimicamente vulnerabili. Con il progredire della qualità del grafene questo processo potrebbe permetterne il trasferimento su diversi substrati a scelta rendendo possibile lo sviluppo del settore fotovoltaico di tipo organico, flessibile e trasparente.; Electronic devices based on organic semiconductors are nowadays the object of intense studies due to the fact that they have opened the way to a low-cost, large-scale, highly-adaptable electronic. However a good understanding of the structural and electronic properties of organic semiconductor is still needed in order to overcome the general low efficiency that organic devices present with respect to the inorganic ones. The main research efforts in this field can be grouped into two categories. On the one hand the bulk properties of organic semiconductors have been investigating through the study of their charge transport mechanism, which cannot be described by simply using the tools of inorganic materials. On the other hand the presence of numerous hybrid interfaces, between the active material and the other parts of an electronic device, both metallic or organic, pushes the study of their structural and electronic properties. Referring to this aspects two model systems will be considered in this work: an organic seminconductiong single crystal (OSSC) and a donor/acceptor interface. The 4-hydroxycyanobenzene (4HCB) molecule belongs to the class of OSSCs and it forms millimeter sized single crystals with strong anisotropic transport properties along the three crystallographic axes. The high purity, reduced contribution of defects and long range structural order of the OSSCs make 4HCB a suitable system to investigate the charge transport mechanism in organic semiconductors. The electronic structure of 4HCB molecule has been fully characterized by means of XPS (X-ray Photoemission Spectroscopy), NEXAFS (Near edge X-ray absorption Fine structure Spectroscopy) and RPES (Resonant Photoemission Spectroscopy) techniques. In particular the standard characterization of the thick film is combined with the core-hole clock method in order to extract the charge transfer time of a resonantly excited core electron inside a 4HCB solid. From the RPES on the N-edge results that both LUMO and LUMO+2 are short lived states with a charge transfer time equal to 0.9 and 1.4 fs respectively. This evidence suggests that the charge transport is mediated by the cyano group of 4HCB and the two different values indicate a directionality in the charge transport. The problem of hybrid interfaces is tackled studying three organic donor/acceptor heterojunction systems made up coupling different HBC (hexabenzocoronene) derivatives, namely f-HBC (flat HBC), c-HBC (contorted HBC) and DBTTC (dibenzotetrathienocoronene) with the C60 (fullerene). Due to their shape complementarity, both the c-HBC/C60 and DBTTC/C60 interfaces show a supramolecular self-assembled nanostructure in which the C60 molecules are interwoven between the well ordered structure of the donor material. The same kind of supramolecular nanostructure is not observed for the f-HCB/C60 interface in which the flat geometry of the HBC does not match the C60 shape. This supramolecular assembly has been exploited in organic photovoltaic (OPV) devices based on this systems in order to improve the overall power conversion efficiency. Here we report on the study of the detailed morphology of these bilayer systems, made using synchrotron based spectroscopic techniques. The results reveal that while the f-HBC/C60 can be well approximated with a pure bilayer system, the other two systems present a non negligible intermixed phase at the interface. Moreover for all the systems a reorientation of the HBCs is observed, the prominence of this effect being weaker for the f-HBC and much stronger for both the c-HCB and DBTTC systems. Supramolecular assembly represents a promising route to increase the efficiency of OPV devices through the formation of ordered nanostructures with extended interfaces available for exciton dissociation. In the last chapter an application of organic semiconductors in the fabrication of a real device is presented. The work aims at building a novel graphene-based tandem solar cell to push the organic solar cell efficiency toward the one of inorganic devices. Graphene represents a significant opportunity as a recombination layer in tandem organic photovoltaics. Its high transparency coupled with its high conductivity could enable a recombination layer that is laterally conductive, enabling a non-series tandem cell. Herein a novel techinque to transfer graphene onto organic substrate is described. Graphene was successfully transferred with a process that is compatible with low-energy, fragile, and chemically vulnerable surfaces. As graphene quality improves with further research this process may allow large-scale, patternable transfer to various substrates of choice enabling flexible and transparent organic photovoltaics. Description: 2011/2012 Type: Tesi di dottorato; Doctoral Thesis

2013-04-15T00:00:00Z Novelli, Fabio http://www.openstarts.units.it:80/dspace/handle/10077/8588 2013-04-29T16:02:56Z 2013-04-15T00:00:00Z

Title: In search of selective excitations for studying out-of-equilibrium properties in strongly correlated electron systems and high temperature superconductors Authors: Novelli, Fabio Abstract: Negli ossidi dei metalli di transizione le correlazioni elettroniche, magnetiche e reticolari sono all’origine di peculiari proprietà fisiche come la resistenza magnetica colossale e la superconduttività ad alta temperatura critica. La spettroscopia risolta in tempo è uno strumento unico per separare il contributo dei singoli gradi di libertà. Inoltre, tale tecnica può essere usata per indurre transizioni di fase non-termiche nella materia condensata. In particolare, scegliendo appositi impulsi pompa in combinazione con impulsi sonda in grado di misurarne gli effetti, è possibile “guidare” la materia nello stato fisico desiderato tramite un’eccitazione selettiva. I primi capitoli della tesi introducono lo stato dell’arte, le tecniche sperimentali e i modelli usati per studiare le proprietà ottiche dei cristalli fuori equilibrio. I capitoli successivi sono dedicati a singoli materiali: abbiamo eseguito misure di riflettività risolte in tempo con pompa nel visibile e sonda ad ampio spettro (1-3 eV) su alcuni isolanti di Mott (YVO3 e La2CuO4) e superconduttori (YBa2Cu3O7-d), e con pompa THz (1 THz~4 meV) su GaAs. YVO3 è un prototipico isolante di Mott e mostra una varietà di fasi caratterizzate da peculiari ordini orbitali e magnetici in funzione della temperatura. In questo sistema le eccitazioni ottiche sono direttamente collegate al grado di libertà orbitale, magnetico o elettronico, ma la loro interpretazione è controversa. Eseguendo misure di riflettività risolte in tempo e frequenza abbiamo dimostrato che le due transizioni ottiche ad energie minori (1.8 eV e 2.4 eV) appartengono alla stessa banda: in particolare, la transizione a 1.8 eV è interpretabile come un eccitone di Hubbard, ovvero uno stato quasi legato stabilizzato da una diminuzione di energia cinetica. Inoltre, abbiamo suggerito l’interpretazione della fase metastabile (che sopravvive almeno fino a 1 ns dopo la foto-eccitazione) come una fase disordinata di spin, e che il materiale potrebbe pertanto essere utilizzato come interruttore magnetico ultra-veloce (F.Novelli et al., Phys. Rev. B 86, 165135, 2012). Per studiare la dipendenza della risposta ottica transiente dei cuprati dalla lunghezza d’onda della pompa ci siamo concentrati sul La2CuO4. I nostri risultati dimostrano che l’effetto degli impulsi di pompa non può sempre essere trattato come semplice perturbazione della temperatura del sotto-sistema elettronico, poiché dinamiche molto diverse vengono rivelate quando l’energia degli impulsi di pompa è maggiore o minore dell’energia del gap di trasferimento di carica, che si trova a circa 2 eV. In particolare foto-eccitare sopra gap è analogo ad un aumento di temperatura, mentre foto-eccitare sotto gap “indurisce” il gap di trasferimento di carica. Ciò suggerisce l’esistenza di eccitazioni a bassa energia che inducono una rinormalizzaizione non termica del gap (in preparazione). Per studiare l’interazione fra grado di libertà vibrazionale e grado di libertà elettronico nei sistemi a forte correlazione elettronica abbiamo utilizzato impulsi di pompa con lunghezza d’onda centrale pari a 800 nm e impulsi di sonda nell’intervallo 400-1200 nm su film sottili di YBa2Cu3O7-d drogato in modo ottimale. Le oscillazioni della riflettività transiente palesano due fononi con frequenze di pochi THz che coinvolgono rispettivamente vibrazioni, pressoché pure, di Ba e Cu. Mentre il modo del rame è indipendente, il modo del bario risulta chiaramente accoppiato alla fase superconduttiva. L’ampiezza delle oscillazioni del modo del bario aumenta sotto la temperatura critica e la sua distribuzione spettrale è modificata quando il condensato viene sciolto dagli impulsi di pompa. I nostri risultati offrono una nuova prospettiva nell’interpretazione della dinamica delle transizioni inter-banda dei cuprati che subiscono forti modificazioni sotto TC (in preparazione). Abbiamo studiato un regime misto nell’interazione fra luce e materia tramite misure risolte in fase dell’effetto Franz-Keldysh nell’arseniuro di gallio. L’effetto Franz-Keldysh consiste nella perturbazione delle proprietà ottiche di un semiconduttore in una regione energetica intorno al gap a seguito dell’applicazione di un campo elettrico. Le misure sono state effettuate con impulsi di pompa ultra corti a singolo ciclo ottico nella regione spettrale del terahertz, e impulsi di sonda ad ampio spettro nella regione spettrale del visibile. Regolando l’intensità degli impulsi di pompa abbiamo studiato sia l’effetto Franz-Keldysh dinamico che un nuovo regime di saturazione in cui la “memoria” è importante, ovvero in cui la risposta ottica intorno al gap dipende da una funzione integrale del campo elettrico applicato. I nostri risultati potrebbero essere utili nell’ambito della strumentazione ottica ultra-veloce (F. Novelli et al., Scientific Reports 3, 1227, 2013). In conclusione, abbiamo dimostrato che le eccitazioni selettive sono certamente possibili in diversi ossidi dei metalli di transizione tramite tecniche spettroscopiche ultra-veloci risolte in tempo e frequenza: importanti informazioni fisiche possono essere ottenute regolando il contenuto energetico degli impulsi laser utilizzati. Description: 2011/2012 Type: Tesi di dottorato; Doctoral Thesis

2013-04-15T00:00:00Z Capogrosso, Valentina http://www.openstarts.units.it:80/dspace/handle/10077/8587 2013-04-29T16:02:56Z 2013-04-15T00:00:00Z

Title: Dimensionality and ordering effects on the electronic structure of low dimensional strongly correlated electron transition metal oxides Authors: Capogrosso, Valentina Abstract: Nel vasto scenario dei materiali fortemente correlati gli ossidi dei metalli di transizione hanno attratto enorme interesse a causa delle loro interessanti proprietà fisiche, come ad esempio, la superconduttività nei cuprati e la magnetoresistenza gigante nelle manganiti. In particolare, il mio interesse è stato rivolto ad una specifica classe di materiali, per i quali la dimensionalità è il parametro più importante. Le attività sperimentali sono state focalizzate verso due sistemi: la manganite Pr0.5Ca1.5MnO4 dopata a metà e a strato singolo (hd-PCMO) e la famiglia dei rutenati Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3). Entrambi questi sistemi esibiscono fenomeni affascinanti strettamente legati ad una complicata interazione tra i gradi di libertà del reticolo cristallino, di spin, di carica, ed orbitale, dove la dimensionalità cristallina gioca un ruolo cruciale. Con il mio progetto di dottorato ho studiato alcune proprietà dei materiali sopracitati per mezzo di spettroscopie con raggi X, come l’emissione risonante di raggi X (RXES) e l’assorbimento di raggi X (XAS) statico e risolto in tempo. Tutte le misure sono state condotte utilizzando la linea di luce BACH (linea di luce per dicroismo avanzato) dell’anello di accumulazione Elettra della Elettra-Sincrotrone Trieste. Il sistema hd-PCMO presenta una transizione di ordinamento di carica ed orbitale (CO-O) ad una temperatura TCO relativamente elevate, i.e. 340 K, accompagnata da una distorsione strutturale ortorombica, dove i portatori di carica fortemente correlati eg del Mn si ordinano in sotto-reticoli cristallografici separati (stato di carica ordinato) con un carattere orbitale specifico (stato di ordinamento orbitale). Inoltre, hd-PCMO presenta anche una risposta reticolare anomala ad una temperatura 20 K sopra la temperatura di Neél TN, che è associata ad un inatteso accoppiamento spin-reticolo. Poiché mancava uno studio degli stati elettronici non occupati del PCMO, misure dipendenti dalla temperatura per mezzo del dicroismo lineare (XLD) sono state realizzate alle soglie K dell’ossigeno e L3 del Mn al fine di spiegare il ruolo della topologia orbitale dei Mn 3d – O 2p. I dati sperimentali, supportati da calcoli ab-initio LDA+U, ci danno informazioni sulla ridistribuzione di carica e sui cambiamenti delle p-DOS alla transizione CO-O e a quella antiferromagnetica (AFM). I risultati ottenuti mostrano che l’interazione competitiva tra la distorsione locale atomica, necessaria per permettere l’ordinamento CO, e le dinamiche di carica del meccanismo di hopping regolano lo stato orbitale dei portatori di carica. Inoltre, sulla base di studi teorici che predicono la formazione di fasi orbitali e strutturali transienti “nascoste” per mezzo della stimolazione ottica, abbiamo studiato le DOS non occupate dello stato metastabile indotto otticamente nel PCMO per mezzo della XAS risolta in tempo, che offre uno strumento unico per misurare le DOS proiettate in sito ed in simmetria degli stati metastabili della materia. Le misure XAS risolte in tempo alla soglia K dell’ossigeno sono state realizzate per mezzo di un nuovo apparato sperimentale disponibile a BACH, che si basa su un laser Ti:zaffiro (impulsi di pompa) con tasso di ripetizione variabile sincronizzato con gli impulsi a 500 MHz dei raggi X (impulsi di sonda). L’evoluzione temporale degli spettri XAS attraverso la transizione CO-O fotoindotta otticamente risulta differente rispetto alle misure XAS adiabatiche, dimostrando l’esistenza di una “fase nascosta” fotoindotta nel PCMO, la cui natura è ancora sconosciuta. I rutenati Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3) sono emersi come una famiglia importante di peroschiti a causa dell’evoluzione inattesa e senza precedenti dal comportamento anisotropico ferro- o metamagnetico del Sr4Ru3O10 (n=3) dipendente dalla direzione del campo magnetico, all’ aumentato paramagnetismo di Pauli vicino all’ordinamento magnetico del Sr3Ru2O7 (n=2) e, infine, alla superconduttività a bassa temperature in Sr2RuO4 (n=1). Nonostante vengano riportati numerosi studi sulle proprietà strutturali e magnetiche di questi composti, l’evoluzione delle strutture elettroniche occupate e non occupate non è stata investigata in dettaglio. Quindi, la dipendenza delle strutture elettroniche e l’ibridizzazione degli stati 2p dell’ossigeno sono state investigate combinando la spettroscopia XAS alla soglia K dell’ossigeno (transizione 2p-1s) dipendente dalla polarizzazione e la spettroscopia RXES. Una sezione del capitolo 3 è dedicata ad illustrare un setup sperimentale sviluppato recentemente per esperimenti XAS risolti in tempo sfruttando la struttura temporale “multibunch” dell’anello di accumulazione del sincrotrone. Sfruttando le potenzialità di questo setup, la transizione di superficie semiconduttore-metallo nel germanio cristallino è stata fotoindotta ed il set completo di dati viene discusso. Lo schema della mia tesi di dottorato è il seguente. Il primo capitolo presenta una panoramica dell’intero lavoro. Il secondo capitolo è diviso in due sezioni. La prima sezione introduce il lettore alla fisica orbitale ed alle transizioni di fase elettroniche nei metalli di transizione a ridotta dimensionalità, con un excursus sullo stato dell’arte dei composti 3d del manganese e la famiglia 4d dei rutenati. L’intento della seconda sezione è quello di spiegare l’importanza delle tecniche spettroscopiche nei raggi X molli come strumenti per investigare le proprietà elettroniche dei solidi. La descrizione delle spettroscopie XAS e RXES vengono riviste più in dettaglio nel capitolo 3, che include anche la descrizione dell’apparato sperimentale della beamline BACH e del laboratorio T-ReX al Sincrotrone Elettra. Il capitolo 4 è dedicato alla teoria funzionale di densità (DFT) ed alla approssimazione locale di densità più U (LDA+U) ed ai dettagli del modello del sistema hd-PCMO. Il capitolo 5, che presenta i casi studiati, è diviso in due sezioni: il caso del PCMO, che include le misure XAS statiche e risolte in tempo, ed il caso della serie Ruddlesden-Popper dei rutenati di Sr investigate per mezzo della RXES. Nel capitolo finale vengono presentati i commenti finali su questo lavoro.; In the vast scenario of strongly correlated-electron materials transition-metal oxides have attracted enormous interest because of their interesting physical properties, including for example, superconductivity in cuprates and colossal magnetoresistance in manganites. In particular, my interest was directed to a particular class of materials, whose dimensionality is the most defining material parameter. With my Ph.D. project I deepened into some physical properties of these materials by means of core-levels spectroscopies such as resonant x ray emission (RXES) and static and time-resolved x ray absorption (XAS). All the measurements have been carried out at the beamline BACH (Beamline for Advanced diCHroism) at the Elettra light source facility in Trieste. The experimental activities focused on two case-study systems: the single layered half-doped Pr0.5Ca1.5MnO4 (hd-PCMO) and the layered Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3) family. Both these systems exhibit fascinating phenomena intimately related to a complicated interplay between the crystal lattice, spin, charge, and orbital degrees of freedom, where crystal dimensionality plays a crucial role. hd-PCMO exhibits a charge-orbital ordering (CO-O) transition at a remarkably high TCO, slightly above room temperature, accompanied by an orthorhombic structural distortion, where the strongly correlated Mn eg charge carriers order onto separate crystallographic sub-lattices (charge-ordered state) with a specific orbital character (orbital ordered state). Furthermore, hd-PCMO also displays an anomalous lattice response at temperatures 20K above the Neél temperature TN, which is associated to an unexpected spin-lattice coupling. Since a study of the PCMO unoccupied electronic states was lacking, temperature dependence measurements by XAS linear dichroism (XLD) have been performed at the O-K and Mn-L3 thresholds in order to elucidate the role of Mn 3d - O 2p orbital topology. The experimental data, supported by ab-initio LDA+U, shed light on the charge redistribution and p-DOS changes at the CO-O and antiferromagnetic (AFM) transitions. The results obtained show that the competitive interplay between the local atomic distortion, necessary for accomodating the CO-ordering, and the charge dynamics of the hopping mechanism regulates the orbital state of the charge carriers. Furthermore, on the basis of theoretical studies that predict the formation of transient “hidden” orbital and structural phases by optical stimulation, we have studied the unoccupied DOS of the optically induced metastable state in PCMO by means of time resolved XAS, which offers a unique tool to measure site and symmetry projected DOS of metastable states in matter. Tr-XAS measurements at the O-K edge have been carried out by means of a novel experimental apparatus available at BACH, which is based on a variable repetition rate Ti:sapphire laser (pump pulse) synchronized with the ∼ 500 MHz X-ray photon pulses (probe pulses). The time evolution of the XAS lineshapes across the optically photoinduced CO-O transition results different respect to the adiabatic XAS measurements, demonstrating the existence of a photoinduced “hidden phase” in PCMO, whose nature is still unknown. The layered Srn+1RunO3n+1 (n=1,2,3) have emerged as an important family of perovskites because of the unexpected and unprecedented evolution from anisotropic ferro- or metamagnetic behavior of Sr4Ru3O10 (n=3) dependent on the direction of the magnetic field, enhanced Pauli paramagnetism close to magnetic order of Sr3Ru2O7 (n=2) and, finally, to low-temperature superconductivity in Sr2RuO4 (n=1). Although numerous studies have been reported on the structural and magnetic properties of these compounds, the evolution of the occupied and unoccupied electronic structures were not investigated in detail. Thus, the dependence of electronic structures and the hybridization of O 2p states have been investigated by combining polarization dependent O K (2p-1s transition) XAS and RXES spectroscopies. A section of the chapter 3 is dedicated to illustrate a newly developed experimental setup for time-resolved XAS experiments by exploiting the multibunch time structure of a synchrotron storage ring. By exploiting the capabilities of this setup, the surface semiconductor-metal transition in crystalline germanium has been photoinduced and the complete set of data discussed. The outline of my Ph.D. thesis is the following. The first chapter presents an overview of the entire work. The second chapter is divided into two sections. The first section introduces the reader into the orbital physics and the electronic phase transitions in low dimensional transition metal oxides, with an excursus on the state of the art of 3d manganese compounds and the family of 4d Ruthenates. The second section is aimed to explain the importance of soft x-ray spectroscopic techniques as tools to investigate the electronic properties of solids. The description of XAS and RXES are reviewed in more details in chapter 3, which includes also the description of the experimental apparatus of BACH beamline and T-ReX lab at the Elettra synchrotron light source. Chapter 4 is dedicated to the Density Functional Theory (DFT) and Local Density Approximation plus U (LDA+U) theories and to the details of the modelling of the hd-PCMO system. Chapter 5, which presents the cases studied, is divided into two sections: the case of PCMO, including static and time resolved XAS measurements, and the case of Ruddlesden-Popper series of Sr Ruthenates investigated by means of RXES. In the final chapter the concluding remarks on this work are presented. Description: 2011/2012 Type: Tesi di dottorato; Doctoral Thesis

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