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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 14 avril 2014

 

Un métal de structure similaire au graphène créé à la surface d'un isolant !

 

Des chercheurs du CSNSM(1), en collaboration avec l’IEF, le LPS et l’UMR-Thalès(2), sont parvenus, auprès du Synchrotron Soleil, à réaliser un état métallique très particulier à la surface d’un oxyde transparent isolant : une couche conductrice de structure analogue à celle du graphène. Un résultat prometteur pour la micro-électronique du futur et totalement inédit. En combinant les propriétés remarquables des oxydes de métaux de transition avec celles des systèmes de type graphène, cet état métallique bidimensionnel exotique pourrait également permettre de mettre en évidence de nouvelles propriétés des électrons dans la matière.

 

Les oxydes de métaux de transition sont des matériaux qui présentent des propriétés remarquables, telles la supraconductivité à haute température pour les oxydes de cuivre, la magnétorésistance colossale pour les oxydes de manganèse, la multi-ferroélectricité pour les ferrites de bismuth, ou encore la capacité photo-catalytique pour les titanates. On peut imaginer utiliser les états métalliques de surface pour contrôler les propriétés du matériau, voire créer de nouvelles propriétés grâce au confinement des électrons sur une épaisseur nanométrique.

En 2011, une première expérience est pilotée par le CSNSM : les chercheurs réussissent à créer des états bidimensionnels métalliques (gaz d’électrons) à la surface nue de plusieurs oxydes isolants et transparents appartenant à la famille des oxydes de métaux de transition, tels que le SrTiO3 et le KTaO3. Ces gaz d’électrons 2D métalliques s’avèrent ainsi prometteurs pour la micro-électronique du futur.

Confiner des électrons à la surface de ces oxydes isolants offre une autre possibilité très séduisante : en choisissant savamment la direction de coupe du cristal de l’oxyde, afin de donner une géométrie particulière au réseau cristallin à la surface, on peut façonner la topologie de l’état métallique confiné près de la surface. Ainsi, pour un cristal cubique, structure commune à pratiquement tous ces oxydes, une coupe perpendiculaire à la grande diagonale du cube, aussi appelée direction (111), donnera une surface de symétrie hexagonale (figure 1). Or, si l’on arrive à confiner les électrons sur seulement les deux premières couches le long de la direction (111), le réseau atomique ressenti par les électrons sera ce qu’on appelle un "réseau en nid d’abeille", formellement identique à celui du très célèbre graphène et duquel découlent maintes des propriétés uniques de ce matériau. Ce jeu, combinant les symétries cristallines à la surface d’oxydes aux propriétés remarquables avec le confinement d’électrons sur ces surfaces, pourrait permettre d’aboutir, comme le prédisent plusieurs travaux théoriques récents, à de nouvelles propriétés des électrons dans la matière.

C’est à ce jeu que l’équipe du CSNSM s’est livrée. En s’appuyant sur les techniques qu’ils avaient développées pour la création de gaz 2D d’électrons à la surface d’oxydes, les chercheurs ont réalisé un état métallique 2D sur une surface (111) du KTaO3. En illuminant ensuite cette surface avec le rayonnement synchrotron de Soleil et en mesurant directement les électrons ainsi éjectés par effet photoélectrique, ils ont montré que la distribution des états électroniques sur le réseau cristallin de surface avait bel et bien une symétrie hexagonale. Ce type de structure électronique n’a pas de précédent parmi l’ensemble des états métalliques 2D connus à ce jour sur les oxydes.

Bien qu’il reste à démontrer qu’il soit possible de confiner les électrons sur deux couches atomiques de cette surface (111), ces résultats sont fondateurs. Ils indiquent une voie concrète pour produire des états métalliques 2D exotiques combinant la richesse des caractéristiques physiques des oxydes de métaux de transition avec les propriétés extraordinaires des systèmes de type graphène.

 

Gaz 2D d’électrons sur KTaO3(111).
(a) Atomes du Ta dans la structure cubique perovskite. Les couleurs différencient différentes couches (111). (b) Deux couches (111) successives forment un réseau en nid d’abeille, comme celui du graphène. (c) Surface de Fermi mesurée sur la ligne de lumière Cassiopée de Soleil pour l’état métallique 2D sur KTaO3(111). On observe clairement que les états électroniques les plus intenses (tonalités bleu clair) forment un réseau hexagonal. Crédit : Andres Santander/CSNSM

 

(1) Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (Université Paris-Sud/CNRS)
(2) Laboratoire de physique des solides (Université Paris-Sud/CNRS), Unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l'Université Paris-Sud, Institut d'électronique fondamentale (Université Paris-Sud/CNRS)

 

Pour en savoir plus

  • Référence : Bareille, C., Fortuna, F., Rödel, C., Bertran, F., Gabay, M., Hijano Cubelos, O., Taleb-Ibrahimi, A., Le Fèvre, P., Bibes, M., Barthélémy, A., Maroutian, T., Lecoeur, P., Rozenberg, J., & Santander-Syro, A. F. Two-dimensional electron gas with six-fold symmetry at the (111) surface of KTaO3.  Scientific Reports, 2014, 4: art.n° 3586

  • Communiqué de presse "Microélectronique : un gaz d'électrons à la surface d'un isolant ouvre la voie du transistor multi-fonctions" (12 janvier 2011) : http://www.in2p3.fr/presse/communiques/archives/2011/04_gaz_electrons.htm

Contact chercheur

  • Andres Santander
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