Transition résistive induite par pulses électriques dans des isolants de Mott : Mécanisme et contrôle à l’échelle nanométrique – NanoMott

Le phénomène de transition entre deux états de résistance induite par pulse électrique (Electric Pulse Induced Resistive Switching ? EPIRS), connait actuellement un fort accroissement d'activité notamment en raison de possibilités d'application dans le domaine des mémoires non volatiles. Une tentative de classification des phénomènes EPIRS a été proposée l'an dernier [R.Waser et al., Nature Mat. 6, 833 (2007)] selon la nature du mécanisme mis en jeu dans la transition résistive : effet thermique, effet d?injection de charges aux interfaces, effet de diffusion ionique. Nous avons récemment découvert l?existence d?un phénomène EPIRS dans une nouvelle classe d?isolant de Mott : les thiospinelles AM4X8 (A= Ga,Ge; M= V, Nb, Ta; X=S, Se). Les premiers résultats obtenus sur ces matériaux ont montré d?une part qu?ils possèdent un fort potentiel pour des applications de type mémoires non-volatiles RRAM (brevet déposé en 2007 ; collaboration en cours avec STMicroelectronics pour le dépôt en couche minces), et d?autre part que le mécanisme sous-jacent diffère de ceux reportés dans la littérature. En particulier, nos études des propriétés de transport et par microscopie à effet tunnel montrent que l?application de pulse électrique induit une séparation de phase électronique, avec coexistence de domaines nanométriques métalliques et isolants. Cette découverte importante indique que l?application de pulses électriques permet de briser l?état isolant de Mott à l?échelle nanomètrique dans les AM4X8. Le projet NanoMott vise à comprendre ce nouveau type de transition résistive induite par pulse électrique et d'en prendre le contrôle à l'échelle nanométrique. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire (i) d?élaborer les composés AM4X8 sous différentes formes et de les étudier en utilisant une large gamme de techniques expérimentales complémentaires, (ii) d?être capable d?identifier les paramètres impliqués dans le phénomène EPIRS et de le modéliser et (iii) de pouvoir sonder et contrôler l?EPIRS à l?échelle nanométrique. L'enjeu du projet NanoMott consiste à montrer que le pulse électrique peut briser l'état isolant de Mott à l'instar de la pression ou du dopage. Une telle découverte pourrait avoir un potentiel d'innovation, en particulier dans le domaine des mémoires non volatile. Le projet NanoMott est organisé en trois tâches principales. La première vise à (i) élaborer les composés AM4X8, (ii) à clarifier de manière expérimentale si le phénomène EPIRS relève d?un effet de champ électrique ou d?injection de charges et (iii) à étudier le caractère volatile/non-volatile de la transition résistive. La deuxième tâche, centrée sur les aspects théoriques, se propose (i) de faire une première extension en 1D du modèle théorique qui fait référence dans le domaine des EPIRS pour prendre en compte son caractère "volumique" et pas seulement interfacial, (ii) de déterminer, par plusieurs type de comparaisons entre expérience et calculs, les paramètres physiques propres aux AM4X8 qui sont impliqués dans le phénomène EPIRS et (iii) d?intégrer ces paramètres physiques pertinents dans un modèle 2D/3D plus réaliste. La dernière partie est principalement dédiée à la manipulation et au contrôle à l?échelle nanométrique de la transition résistive. Elle traite (i) de l?étude de la texture à l?échelle nanométrique créée par l?EPIRS, (ii) de la "nanolithographie électronique" à la surface des AM4X8 en utilisant la pointe STM pour induire la transition résistive. Quatre laboratoires ayant des compétences complémentaires dans les domaines de la sciences des matériaux et de la physique de la matière condensée sont impliqués dans ce projet. Il s?agit de l?Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN) de Nantes (coordinateur du projet), du Laboratoire d?Electrodynamique des Matériaux Avancés de Tours (LEMA), du Laboratoire de Physique du Solide (LPS) d?Orsay, et de l?Institut des NanoSciences de Paris (INSP). Les différents partenaires du projet ont déjà engagé plusieurs collaborations bilatérales ; cependant, les objectifs ambitieux du projet NanoMott nécessitent un effet de synergie entre tous les partenaires impliqués. Dans le monde, des moyens importants sont investis autour du phénomène EPIRS ; à notre connaissance, les partenaires du projet NanoMott sont les premiers au monde à s'intéresser a ce nouveau type de phénomène EPIRS,. Dans ce contexte, le soutien par l?ANR est de toute première importance pour pouvoir explorer tout le potentiel lié à la découverte de l?effet EPIRS dans les composés AM4X8.