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

Publié par Adrien le 18/04/2014 à 00:00
Source: CNRS-IN2P3
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Des chercheurs du CSNSM, en collaboration avec l'IEF, le LPS et l'UMR-Thalès, 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 (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). Un résultat prometteur pour la micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'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 (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...) à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) pour les oxydes de cuivre, la magnétorésistance colossale pour les oxydes de manganèse (Le manganèse est un élément chimique, de symbole Mn et de numéro atomique 25.), 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...), voire créer de nouvelles propriétés grâce au confinement des électrons sur une épaisseur nanométrique.


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

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 (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations...) de l'état métallique confiné près de la surface. Ainsi, pour un cristal cubique, structure commune à pratiquement tous ces oxydes, une coupe perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à la grande diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non...) du cube, aussi appelée direction (111), donnera une surface de symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) hexagonale (figure). 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 (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...), 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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) 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.
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