Contrôle ferroélectrique d'un isolant de Mott aux échelles nanométrique/nanoseconde – FERROMON

Contrôler des états électroniques fortement corrélés et induire des transitions métal/isolant par un effet de champ électrique est un objectif clé de la Mott-tronique (nommée d’après le Prix Nobel Sir Neville Mott). Conceptualisés par IBM à la fin des années 90, les transistors de Mott surpassent les MOSFETs conventionnels en termes de contrastes ON/OFF et de consommation électrique. Avec des grilles ferroélectriques, ils pourraient aussi donner lieu à des mémoires non volatiles rapides et ultra endurantes. Les tentatives de réalisations de tels dispositifs ont culminé avec le récent rapport (groupe de Tokura à Riken, Japon - Nature 2012) d’une véritable transition métal-isolant induite par effet de champ dans des films de VO2 à grilles de liquide ionique. Cependant, une étude postérieure (groupe de Parkin à IBM, USA - Science 2013) a conclu que des effets extrinsèques de mouvements de lacunes d’oxygènes plutôt que des effets électrostatiques intrinsèques sont responsables des forts changements de résistance du VO2, suscitant de fortes controverses à l’égard de ces dispositifs de VO2 à grilles de liquide ionique.

Nous devons répondre à deux défis clés pour parvenir au but de longue date de la Mott-tronique d’une transition entre un état métallique et un état isolant non volatile, réversible, et contrôlée électroniquement : (i) identifier un matériau comme canal dans lequel une transition métal-isolant se produit à très faible dopage ; (ii) combiner ce matériau avec un matériau de grille renversable capable d’accumuler ou de dépléter de larges densités de porteurs.

FERROMON s’attaquera à ces deux défis et étudiera un système modèle d’hétérostructures d’oxydes épitaxiés combinant un isolant de Mott, (Ca,Ce)MnO3, avec un ferroélectrique (magnétique), BiFeO3. Les bicouches de BiFeO3/(Ca,Ce)MnO3 sont de haute qualité cristalline et nous avons récemment démontré de forts contrastes électriques induits par le renversement de la polarisation ferroélectrique dans des dispositifs verticaux et horizontaux. Le diagramme de phase très riche de (Ca,Ce)MnO3 offre un fort potentiel pour de nouveaux effets physiques excitants où l’effet de champ ferroélectrique pourrait induire non seulement des transitions de phase métal/isolant mais également des transitions de phase magnétiques.

Dans ce cadre, je mettrai à profit mes 7 années d'expérience avec des découvertes significatives dans le domaine des interfaces d'oxydes, des ferroélectriques à l'échelle nanométrique, du couplage magnétoélectrique d'interface et des dispositifs à base de ferroélectriques pour conduire ce projet selon 3 objectifs principaux :
- conduire des transitions de phases électroniques et/ou magnétiques dans des oxydes fortement corrélés par un effet de champ ferroélectrique
- comprendre à l’échelle atomique l’interaction entre la ferroélectricité et les propriétés électroniques aux interfaces d’oxydes
- exploiter la dynamique de domaines ferroélectriques pour contrôler les propriétés électroniques et/ou magnétiques à l’échelle de la nanoseconde.