Hétérostructures d'oxydes de structure pérovskite : propriétés structurales et électroniques de l'interface LaA1O3 / SrTO3

Heterostructures of perovskite oxides : structural and electronic properties of the interface of lanthanum aluminate / strontium titanate

• Auteur / Autrice : Cécile Carrétéro
• Direction : Jean-Luc Maurice
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés libres

Hétérostructures d’oxydes pérovskites

Épitaxie par ablation laser

Structure des interfaces

Conductivité électrique d’interfaces entre isolants

Microscopie à force atomique à pointe conductrice

Microscopie électronique en transmission

Résumé

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude de deux matériaux de structure pérovskite : l'aluminate de lanthane (LaAlO3) et le titanate de strontium (SrTiO3). Séparément ces matériaux sont isolants mais l'épitaxie du LaAlO3 sur le SrTiO3 peut engendrer, sous certaines conditions de croissance, la création d'un gaz d'électrons de haute mobilité. Afin de mieux comprendre les mécanismes induisant cet état, nous avons étudié la variation des propriétés structurales de la couche de LaAlO3 et du substrat de SrTiO3 par de nombreuses techniques expérimentales (HRTEM, EELS, HAADF, DRX), afin d'observer à l'échelle atomique, l'influence des conditions de croissance. Nous avons ensuite développé une technique de mesure directe, en coupe transverse, afin de déterminer l'extension du gaz à l’interface et la densité de porteurs à partir d'un microscope à force atomique à pointe conductrice. Ces analyses ont permis d’observer l’influence de la pression d’oxygène sur l’extension du gaz. Nous avons démontré qu’il est possible, pour des conditions spécifiques de croissance, d’obtenir un gaz d’électrons de haute mobilité confiné à l’interface sur quelques nanomètres. Nous avons également mis en évidence, la présence de cations La3+ dans les premières monocouches de SrTiO3 qui peuvent jouer un rôle dans la conduction. L’interprétation liée au concept de catastrophe polaire comme seule origine du gaz haute mobilité confiné reste donc discutable

This thesis has been devoted to the study of two perovskite materials : lanthanum aluminate (LaAlO3) and strontium titanate (SrTiO3). Separately these materials are insulators but the epitaxy of LaAlO3 on SrTiO3 substrate can generate, under specific growth conditions, a high mobility electron gas. To better understand the mechanisms at the origin of this behavior, we studied the variation of the structural properties of the LaAlO3 layer and SrTiO3 substrate. A large number of experimental techniques (HRTEM, EELS, HAADF, XRD) has been used to observe, at the atomic scale, the influence of growth. We also developed a technique to obtain a direct measurement of the spatial extension of the gas and its carrier density based on a conductive-tip atomic force microscope. This study have allowed to observe the influence of the oxygen pressure on the extension of the gas. We proved that it is possible, under specific growth conditions, to obtain a high mobility electron gas confined at the interface on a few nanometers. We also observed, the presence of La3+ cations in the first monolayers of SrTiO3 that could play a role in the conduction. These findings render questionable the polar catastrophe as the unique origin of the confined high mobility electron gas