Nouveaux Oxydes Ultraminces Supportés – NOUS

Les oxydes ternaires de structure pérovskite ABO3 possèdent deux espèces cationiques qui peuvent être des métaux de transition, des lanthanides, des métaux simples, des terres rares ou bien encore des alcalins. Autant d’associations possibles résultant en une vaste classe de matériaux possédant des propriétés diverses, de la supraconductivité à la magnétorésistance géante, des transitions métal-isolant aux gaz d’électrons 2D. Lorsqu’ils sont fabriqués sous forme de couches minces, des phénomènes nouveaux peuvent apparaitre liés au caractère 2D des couches. En particulier, lorsque ces couches ultraminces sont supportées sur un métal, il devient possible de contrôler plus précisément la stœchiométrie des films et leur concentration en lacune d’oxygène par rapport à un système tout oxyde, car les phénomènes d’interdiffusion aux interfaces sont largement supprimés. Le substrat métallique peut aussi être utilisé pour modifier les contraintes et les transferts de charge à l’interface. C’est un domaine en pleine expansion qui a révélé l’existence de nouvelles phases d’oxydes 2D dont les structures n’ont pas d’équivalent en volume. Nous les appellerons UTOx par la suite (UTOx : ultrathin reduced oxide layers).
Ces phases UTOx sont des matériaux 2D qui peuvent être décrits le plus souvent à partir de quelques tuiles élémentaires, comme des carrés MeO4 (Me : un métal) ou des triangles MeO3. Ces tuiles peuvent s’assembler pour paver le plan de différentes manières et former des structures de complexités variées, allant d’une simple structure hexagonale en nid d’abeille jusqu’à des structures quasipériodiques de symétrie dodécagonale et leurs approximants. De telles phases complexes semblent pouvoir se former à partir de couches minces de différentes pérovskites épitaxiées sur des surfaces hexagonales de métaux de transition ou de métaux nobles. Il s'agit d'une nouvelle classe d'oxydes ternaires 2D dont les propriétés physico-chimiques sont mal connues. De plus, le nombre de systèmes étudiés à ce jour est très limité par rapport aux nombreuses possibilités de couples ABO3/Me(111).
Ces oxydes ultraminces sont généralement formés sur des substrats métalliques monocristallins. NOUS proposons une approche originale « tout film mince », plus versatile et plus facilement transférable pour des applications. Nous utiliserons des substrats classiques et peu couteux sur lesquels des hétérostructures seront fabriquées par MBE (métal) et PLD (oxydes). L’objectif général du projet étant, à partir d’une compréhension fine des phénomènes de croissance, des liaisons chimiques et des frustrations aux interfaces, de pouvoir synthétiser toute une gamme de nouveaux UTOx aux propriétés physico-chimiques modulables. Le travail consiste à comprendre les interactions interfaciales favorisant l’émergence de ces nouvelles phases 2D et de caractériser leurs propriétés structurales, électroniques, de réactivité chimique et de mouillage en vue de potentielles applications par exemple en catalyse ou électronique. Ce volet expérimental sera guidé par une approche théorique utilisant des simulations numériques basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

NOUS regroupe 3 équipes de 2 départements différents de l'Institut Jean Lamour ainsi qu'un centre de compétences. Le consortium rassemble des expertises complémentaires dans les domaines de i / la croissance épitaxiale de couches minces métalliques et oxydes par MBE et PLD, ii / la caractérisation chimique et physique à l'échelle atomique des surfaces et des interfaces et iii / la science des surfaces et la modélisation de systèmes quasicristallins et leurs approximants.

Le projet NOUS propose une nouvelle approche « tout film mince » et une méthodologie alliant des techniques expérimentales et numériques avancées fonctionnant en synergie pour découvrir et mieux comprendre les propriétés de cette nouvelle classe de matériaux, comme le démontrent des résultats préliminaires prometteurs.