Nouveaux gaz bidimensionnels d’électrons aux surfaces des oxydes des métaux de transition – LACUNES

Au cours des cinq dernières décennies, notre mode de vie et de travail ont subi de profondes évolutions, liées à l’essor des composants issus de la microélectronique. Mais la technologie du silicium pourrait bientôt atteindre ses limites, nous forçant dès à présent à explorer de nouvelles voies. Ainsi, l’élaboration de films et d’hétérostructures d’oxydes dotées de hautes performances en transport pourrait marquer bientôt l’avènement d’une électronique alternative s’appuyant sur ces matériaux. En 2004, Ohtomo and Hwang ont mis en évidence l’existence d’un état métallique, dans une hétérostructure formée de deux isolants de bande à grand gap, SrTiO3 (STO) et LaAlO3 (LAO). Selon les conditions de croissance, on peut obtenir un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG), ce qui présente un fort intérêt, eu égard à l’appartenance de STO à la famille des perovskites d’oxydes de métaux de transition (TMO). Celles-ci présentent de remarquables propriétés, telles la supraconductivité à haute température critique (HTSC) pour les cuprates, la magnétorésistance colossale (CMR) pour les manganites, la multiferroélectricité pour les ferrites de bismuth. On peut imaginer former des hétérostructures associant ces matériaux pour faire émerger de nouvelles fonctionnalités aux interfaces.

Dernièrement, notre consortium a mis en évidence, par des mesures de photoémission résolue en angle (ARPES), un 2DEG à la surface de STO isolant, clivé sous ultravide. Le processus d’obtention du 2DEG par ce procédé pourrait ainsi être générique aux perovskites d’oxydes. On pourrait alors créer des TMO fonctionnels où le 2DEG aurait hérité des fortes corrélations des constituants, menant à un transport remarquable, comme notre consortium se propose de l’investiguer. Nous chercherons à créer des tels gaz bidimensionnels dans des ferroélectriques, manganites et multiferroiques. En outre, ceux-ci pourraient présenter des états polarisés en spin, avec un fort potentiel pour le développement des dispositifs pour la spintronique. Nous chercherons également a produire des 2DEGs ayant des propriétés topologiques non triviales, nous basant sur des résultats préliminaires encourageants que nous avons obtenu très récemment. Par ailleurs, dans le but d’optimiser leurs fonctionnalités ou créer des nouvelles, nous envisageons de contrôler in-situ les propriétés physiques de ces 2DEGs, en combinant des techniques de pointe de préparation et étude spectroscopique de ces systèmes.

Acquérir la maîtrise de ces états métalliques de surface requiert une étude approfondie du rôle des lacunes d'oxygène, dans la mesure où celles-ci apparaissent lors du clivage. Il est en effet crucial d'identifier les mécanismes de formation et de stabilisation de ces défauts et d'être en mesure de les manipuler à volonté si l'on veut pouvoir développer une ingénierie du transport à la surface des TMO. A cette même fin, et également en vue d'applications technologiques, nous proposons de trouver des façons de protéger la conduction de ces 2DEG contre toute cause de dégradation de la surface.

Nos résultats préliminaires établissent clairement l'universalité du processus de formation de 2DEG dans plusieurs familles de TMO, et ouvrent des pistes pour l’utilisation de ces 2DEGs dans des potentielles applications technologique. Ce projet ouvre la voie au développement d'une ingénierie électronique de nouvelle génération tout oxyde. Le savoir-faire des membres du consortium le place dans des conditions particulièrement favorables pour mener à bien le programme de recherche objet de la présente demande d’ANR. Le travail ayant mené à la découverte du 2DEG à la surface de STO clivé sous ultravide et les résultats préliminaires, décrits dans le projet, obtenus sur d'autres composés TMO, sont de forts signaux positifs validant le bien-fondé et le potentiel technologique de notre approche pour créer et contrôler des 2DEGs à la surface des TMO.