Projet ANR-11-JS08-0001 – GeCoDo : Dopage géométriquement confiné dans des superréseaux d'oxydes complexes
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Ulrike LÜDERS (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE DELEGATION REGIONALE NORMANDIE)
Partenaires : Laboratoire de Cristallographie et Sciences des Matériaux
Montant : 185006.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Nouveaux matériaux fonctionnels : la voie du dopage géométrique de couches mincesLa création d’une zone conductrice très réduite dans des couches minces isolantes - le dopage géométriquement confiné - permet de synthétiser des matériaux possédants des propriétés émergentes et fonctionnelles. Le projet GeCoDo est dédié à la synthèse et la caractérisation de ce type de nouveaux matériaux.
La physique bidimensionnelle dans les isolants de Mott dopésLes isolants de Mott constituent un groupe de matériaux qui ne conduisent pas l’électricité à cause de la forte répulsion des charges dans le système. Si ces isolants sont dopés avec des charges supplémentaires, par exemple par la formation d’une solution solide, des propriétés fonctionnelles peuvent être observées : la supraconductivité, le magnétisme, la thermoélectricité, entre autres. Les isolants de Mott dopés par solution solide font le sujet d’une forte activité de recherche continue en raison du grand nombre de systèmes et des propriétés fonctionnelles rencontrés.Le projet GeCoDo s’inscrit dans cette voie, mais choisit une voie de dopage moins commune : le dopage géométriquement confiné. Il s’agit de remplacer la solution solide, où les atomes dopants sont distribués d’une manière aléatoire, par quelques couches atomiques de dopants dans l’isolant de Mott. De cette façon, les atomes dopants et alors les charges supplémentaires sont confinées géométriquement dans une région bidimensionnelle dans l’isolant du Mott. Ce confinement résulte en des propriétés émergentes, qui ne sont pas observées dans les solutions solides. Le projet GeCoDo est dédié à la synthèse et la caractérisation de ce type de systèmes.
La croissance de couches minces comme outil pour les sciences des matériauxNotre approche expérimentale pour créer des zones de dopage géométriquement confiné est la synthèse des échantillons par l’ablation laser pulsé. Cette technique, utilisée pour la croissance de couches minces, permet de synthétiser des oxydes complexes comme ceux utilisés dans ce projet, d’une épaisseur d’un petit nombre de couches atomiques sur un substrat. En faisant la synthèse à partir d’une céramique d’isolant de Mott et une autre pour le matériau dopant, nous pouvons élaborer des superréseaux, dans lesquels les deux matériaux sont empilés d’une façon périodique le long de l’axe de croissance. Ceci permet de contrôler parfaitement l’emplacement des atomes dopants dans l’isolant de Mott.Ce projet a de plus la particularité de combiner des chercheurs expérimentateurs et théoriciens, permettant une très forte interaction entre ces deux directions de la recherche. Les systèmes à dopage géométriquement confiné sont peu étudiés autant sous l’aspect expérimental que théorique. Cette approche est donc particulièrement importante pour ce projet qui vise à faire le lien entre les propriétés observées et les effets physiques à leur origine.
Résumé de la soumission : Les isolants de Mott dopés constituent un domaine de recherche très fertile depuis plusieurs décennies en sciences de matériaux, en chimie et physique fondamentale en raison de la multitude de fonctionnalités réalisées (par exemple la supraconductivité à haute température critique et les manganites à magnétorésistance colossale) et des phénomènes fascinants liés à la transition métal-isolant lors du dopage du système.  Une des parties intéressantes du diagramme des phases est typiquement la région avoisinante de la transition métal-isolant, car pour un petit nombre de porteurs de charges dans le système, celles-ci sont fortement corrélées et montrent des ordres et fluctuations supplémentaires induisant des phases exotiques et des propriétés intéressantes.Récemment, nous avons mis en évidence une nouvelle phase ferromagnétique de l’isolant de Mott dopé (La,Sr)VO3, qui n’a été observée ni dans la solution solide, ni dans les matériaux parents. Cette phase ferromagnétique montrant une température de Curie supérieure à 700K s’observe dans des échantillons avec une structure en superréseau LaVO3 (6 mailles) /SrVO3 (1 maille) [U. Lüders et al, Phys. Rev. B 80, 241102R (2009)]. Nous avons montré qu’elle est générée par la structure en couches du matériau provenant de la synthèse sous forme de couche mince des matériaux parents. La description théorique du système souligne le rôle du confinement géométrique des dopants dans une région bidimensionnelle du LaVO3, ce qui introduit alors la dimensionnalité en tant que paramètre clé dans la description des isolants de Mott dopés. Il faut insister sur le fait que cette phase ferromagnétique n’est pas accessible par le dopage classique, car dans une solution solide les dopants sont distribués d’une façon homogène dans la matrice résultant en un caractère tridimensionnel des dopants. De ce fait, le GCD constitue une approche très puissante pour une exploration plus complète des diagrammes de phases électroniques d’isolants de Mott dopés.En plus de ces phases à explorer, le caractère 2D des dopants mène à des propriétés électriques comparables à celles d’interfaces d’oxydes à discontinuité polaire. Les gaz ou liquides d’électrons 2D vont éventuellement avoir un rôle important dans l’électronique post-Si, et la compréhension des propriétés intrinsèques de ces systèmes est possible seulement dans des systèmes bien contrôlés de haute qualité.Dans ce contexte, nous demandons un financement pour une étude extensive de la chimie et des propriétés résultantes de systèmes GCD en particulier sous forme de superréseau. Les objectifs de la recherche effectuée dans le cadre de ce projet sont d’établir les conditions de synthèse, les diagrammes des phases structurales et électroniques, la nature et les propriétés de nouvelles phases en variant les matériaux constituants, la composition et la période des superréseaux GCD. Cette approche marque une nouvelle voie de la chimie d’état solide, parce que souvent, des matériaux sous forme de couches minces ont été utilisés pour comprendre l’influence d’une déformation structurale sur les propriétés physiques, ou afin de créer des nouvelles propriétés physiques, mais pas encore dans le but de modifier intentionnellement la largeur de bande pour accéder à de nouvelles phases avec des propriétés potentiellement intéressantes. Des phases ordonnées avec des températures critiques élevées sont attendues en analogie avec le système GCD de (La,Sr)VO3.La combinaison remarquable au CRISMAT de techniques de croissance de superréseaux d’oxydes, de caractérisation de leur structure et leur propriétés magnétiques et électriques associées à une approche théorique assure la faisabilité de ce projet dans un seul laboratoire. Le coordinateur et les participants de ce projet sont des experts reconnus dans le domaine des oxydes complexes, alors, à part des prémisses techniques aussi la connaissance scientifique est réunie pour mener à bien ce projet ambitieux.
Résultats : Trois différents systèmes one été synthétisés et caractérisés dans le cadre du projet GeCoDo : LaVO3/SrVO3, PrVO3/SrVO3 et LaCrO3/SrCrO3. Une phase magnétique émergente à température ambiante a été mise en évidence dans le premier système, et nous avons pu identifier l’origine de cette phase dans des distorsions des longueurs de liaison dans le voisinage des zones dopés. Dans les trois systèmes, une phase de très basse résistivité a été montrée, lié à la réduction des dimensionnalité des porteurs de charges grâce au dopage géométriquement confiné. La résistivité se situe parmi les plus basses résistivités observées pour des conducteurs d’oxydes complexes, et surtout en dessous de la résistivité de la solution solide.
Perspectives : L'analyse en profondeur des systèmes réalisés lors de ce projet sera poursuivie, ainsi que la synthèse et la caractérisation d'autres systèmes à dopage géométriquement confiné.
Publications et brevets : La production scientifique de ce projet s’est concentrée surtout sur des communications dans des conférences internationales spécialisées, notamment une communication invitée à la conférence de Magnétisme de l’Amérique Latine à Buenos Aires, et des articles dans les revues scientifiques. Un moment fort de ce projet a été l’organisation d’un workshop portant sur les aspects théoriques du dopage géométriquement confiné, réunissant les spécialistes internationaux pendant deux jours à Caen.