– Oxitronics

Le fonctionnement des dispositifs actuels de la microélectronique s'appuie sur la manipulation de la charge de l'électron dans des structures à base de Si ou de semiconducteurs III-V. Si l'industrie microélectronique continuera certainement à s'appuyer sur ces nanostructures semiconductrices durant plusieurs années encore, un effort massif est consenti au niveau international afin de proposer des solutions technologiques à l'horizon 2015-2020. Du point de la recherche matériaux, une voie prometteuse est celle des oxydes de métaux de transition. Les pérovskites (ABO3) sont particulièrement intéressantes car elles présentent un spectre très large de fonctionnalités (supraconductivité, caractère semiconducteur, ferromagnétisme, ferroélectricité, etc) au sein de la même structure cristalline. De plus, les pérovskites possèdent plusieurs avantages : (i) comme pour les semiconducteurs III-V, il est désormais possible d'élaborer des hétérostructures abruptes à l'échelle atomique (ii) elles peuvent avoir des réponses extrêmement élevées à des stimuli externes (contrainte, champ magnétique ou électrique) (iii) leurs interfaces peuvent arborer des propriétés exotiques absentes dans le massif, ce qui ouvre la voie vers une vaste terra incognita de nouveaux métamatériaux. Afin d'explorer le potentiel d'une future électronique basée sur les oxydes, SrTiO3 (un isolant de bande) est un matériau clé : dopé à de faibles concentrations de donneurs (type n), il se transforme en un métal ayant un grand libre parcours moyen et un temps de vie de spin potentiellement long. SrTiO3 est aussi un système modèle pour étudier les effets des corrélations électroniques car, fortement dopé en électrons, il devient un isolant de Mott. Enfin, SrTiO3 est un excellent candidat pour la recherche de phases nouvelles à l'interface entre deux oxydes. Dans ce contexte, l'objectif du projet OXITRONICS est de tirer parti des nombreux avantages de ces matériaux pour fabriquer des hétérostructures épitaxiales tout-oxyde et d'y injecter, d'y manipuler et d'en détecter des courants de charge et de spins se propageant au sein de gaz électroniques tridimensionnels (3D) et bidimensionnels (2D). Tout en progressant vers cet objectif principal, nous nous efforcerons d'obtenir une compréhension détaillée des gaz 3D et 2D générés dans SrTiO3. La première moitié du projet sera consacrée à la physique de gaz 3D créés de façon contrôlée dans SrTiO3, et à la génération de gaz 2D, soit via le transfert de charges à l'interface SrTiO3/LaAlO3, soit dans des couches minces de SrTiO3 de très haute qualité. L'effort principal au sein de cette tâche consistera en la recherche de preuves concluantes d'un caractère 2D du gaz présent à l'interface LaAlO3/SrTiO3. Des signatures spécifiques d'effets de quantification (oscillations de Shubnikov-de Haas, effet Hall quantique) dans la direction de croissance seront recherchés via des mesures de transport à très basse température et sous champs magnétiques intenses. La seconde moitié du projet visera à utiliser ces gaz 3D et 2D en tant que canaux pour le transport de courants de charge et de spin. Une attention particulière sera portée au design de ces architectures (géométrie, électrodes d'injection et de détection). Plusieurs stratégies seront mises en place pour contrôler les propriétés liées à la charge dans le canal (densité de porteurs, mobilité, dimensionalité) par un champ électrique (grille arrière, oxydes de grille diélectriques et ferroélectriques). Nous procéderons également à des expérience d'injection de spin dans ces canaux par différents types de contacts ferromagnétiques (demi-métaux, filtres à spin, etc). Nous tenterons enfin de manipuler les spins dans le canal via l'effet Hanle et en exploitant les effets de grille étudiés précédemment. Le consortium réuni pour mener à bien ce projet comprend quatre laboratoires. Le projet possède une importante composante théorique afin d'orienter les approches expérimentales. En particulier, l