Contrôle ferroélectrique du couplage spin-orbite dans les dichalcogenides de métaux de transition – CORNFLAKE

Des couches minces de BiFeO3 sont préparées par épitaxie par ablation laser sur deux électrodes différentes ((La,Sr)MnO3 et SrRuO3) à l’UMR CNRS/THALES. Chaque électrode induit une polarisation hors du plan dans le BFO, mais de sens opposé (vers le haut pour le LSMO, vers le bas pour SRO)

Les couches minces de WSe2 sont préparées par CVD sur des substrats MICA avec le CEA Leti. Cette technique permet de produire des couches minces de grande taille (5mm x 5mm) qui seront ensuite transférées sur les substrats de BFO.

Nous ferons des mesures de spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) pour mesurer la bande de valence du WSe2. Cela permettra de connaître les positions des bandes de valences, de la nature directe ou indirecte du gap et des valeurs quantitatives des séparations en énergie induite par le couplage spin-orbit.
De plus, nous utiliserons la photoémission résolue en spin pour vérifier la nature polarisée de ces bandes.

La première année du projet a permis de trouver la bonne combinaison des couches de ferroélectrique et MX2. Nous avons début avec le transfert de « flakes » exfoliées de WS2 sur des couches minces de BaTiO3. Nous avons obtenu de bons résultats sur ce système, mais la petite taille des flakes ne permet pas de corréler facilement polarisation et modifications de la structure électronique du WS2. Nous avons donc décidé d’utiliser d’autres échantillons.
Nous avons pu obtenir des échantillons de BFO avec des polarisations opposées qui ont servi de substrat pour nos couches minces millimétrique (pleine plaque) de WSe2. Dans ces conditions plus favorables, nous avons obtenu les meilleurs résultats de ce projet en juillet 2020, juste après le confinement, sur des tricouches de WSe2 (voir figure associée à ce résumé). Nous avons observé un effet significatif de la polarisation ferroélectrique sur les propriétés électroniques du WSe2, notamment une transition d’un semiconducteur intrinsèque vers un semiconducteur dopé n. Ceci sera vérifié par des mesures macroscopiques complémentaires (Raman, transport)

Dans le future nous allons faire de nouvelles expériences avec des véritables monocouches de WSe2 (au lieu des tricouches) pour se diriger vers le Coeur de ce projet : la modification de l’effet Rashba dans le WSe2 induit par le ferroélectrique.

Ceci sera fait dès novembre 2020 sur synchrotron, et également en décembre. Des projets ont été soumis pour l’an prochain également.
En parallèle, nous travaillons sur des systèmes similaires (graphene/BaTiO3), proche du sujet initial et qui pourrait être utile et intéressant pour le projet CORNFLAKE.

Pas pour le moment.

L’électronique actuelle atteignant ses limites en densité de stockage et consommation électrique, l’exploitation du spin de l’électron (spintronique) est un sujet majeur de recherche ayant pour perspective une amélioration significative des performances des dispositifs électroniques. Le contrôle du spin par un champ électrique est un défi majeur de la spintronique car c’est un moyen d’action sur cette propriété fondamentale de la matière à la fois économe en énergie et compatible avec l’industrie de l’électronique.

En exploitant l’effet Rashba géant prédit à leur interface, les heterostructures hybrides entre un dichalcogenure de métal de transition et un matériau ferroélectrique peuvent être une solution à ce défi. En utilisant la spectroscopie de photoémission résolue en angle et en spin, le projet CORNFLAKE vise à caractériser la structure de bande des TMDC déposés sur une couche mince ferroélectrique par épitaxie par jet moléculaire.

Ce projet a pour but de donner des valeurs quantitatives des décalages en énergies des bandes résolues en spin en fonction de la polarisation ferroélectrique. Le but ultime du projet est de mesurer la texture de spin du dichalcogénure en fonction de la direction et de l’intensité de polarisation ferroélectrique.

Ces informations sont essentielles pour une meilleure compréhension des TMDCs et de leur utilisation dans des dispositifs de spintronique. De plus, en étudiant des interfaces hybrides et des matériaux à fort couplage spin-orbite, ce projet s’inscrit pleinement dans le contexte plus général des Matériaux Quantiques. Ce domaine d’étude est un formidable terrain de jeu pour dévoiler le rôle des symétries, de la topologie, des dimensions et des corrélations électroniques dans les propriétés macroscopiques des matériaux.