Étude multi-échelle de la transition induite par le champ électrique dans la phase de Mott des cristaux de GaMo4S8 et des monocouches de TaSe2

Multiscale study of the electric field induced transition in the Mott phase of GaMo4S8 crystals and TaSe2 monolayers

• Auteur / Autrice : Houda Koussir
• Direction : Bruno Grandidier, Pascale Diener
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 30/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Xavier Wallart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan K. Schuller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Christophe Brun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie tunnel à balayage

Spectroscopie tunnel

Analyse multiéchelle

Champs électriques

Transitions de phases

Propriétés électriques

Isolants Mott

Mots clés libres

Matériaux de Mott

Multi-Échelle

Transition de phase

Matériaux bidimensionnels

Mott materials

Multiscale

Phase transition

Résumé

Dans le domaine de la physique de la matière condensée, les isolants de Mott sont essentiels pour explorer des phénomènes électroniques complexes, ayant des implications significatives pour la supraconductivité à haute température et les liquides de spin quantiques. Cette thèse porte sur deux types d'isolants de Mott qui se distinguent l'un de l'autre par leur dimensionalité : des cristaux de GaMo4S8 et des monocouches de 1T-TaSe2.Après avoir introduit leurs propriétés dans le premier chapitre, le second chapitre traite des techniques utilisées pour caractériser ces matériaux à l'échelle locale, d'une part la microscopie et spectroscopie à effet tunnel pour mener une étude structurale et électronique et d'autre part la microscopie à effet tunnel à pointes multiples pour effectuer des mesures de transport.Cette dernière technique a notamment servi à analyser le transport dans GaMo4S8. Nous nous sommes alors intéressés à la réponse du matériau aux champs électriques externes, examinant le champ électrique seuil en fonction de la géométrie des électrodes et explorant l'évolution temporelle des temps de commutation en relation avec les distances inter-électrodes. L'obtention de transitions volatiles ouvre la voie à des applications telles que l'opération d'un microneurone à température ambiante.Pour mieux contrôler les propriétés de transition de phase des isolants de Mott, il est intéressant de considérer des systèmes bidimensionnels dans lesquels le passage du courant est confiné dans le plan du cristal. Aussi, le dernier chapitre se rapporte à la phase 1T du TaSe2, épitaxiée sur des substrats semi-conducteurs de phosphure de gallium (GaP). Comme le révèle l'étude réalisée par microscopie à effet tunnel à basse température, les monocouches de 1T-TaSe2 ne présentent pas seulement la modulation de la densité de charge (étoile de David) caractéristique de la phase onde de densité de charge, mais aussi un motif de Moiré original dû à l'interaction de la monocouche avec le substrat de GaP. Dans cette phase, caractérisée par spectroscopie tunnel, une bande interdite a été mise en évidence, signature de l'état isolant de Mott à basse température. L'état de Mott est corroboré par des mesures de transport dépendant de la température, qui indiquent la persistance de la phase isolante jusqu'à 400 kelvins. De plus, des mesures spectroscopiques à distance pointe-surface variable ont montré l'existence de transitions isolant-métal à basse température. L'observation de telles transitions permet d'envisager l'utilisation de cette hétérostructure à grande échelle comme candidat potentiel en tant que matériau neuromorphique.

In the realm of condensed matter physics, Mott insulators are essential for exploring complex electronic phenomena, with significant implications for high-temperature superconductivity and quantum spin liquids. This thesis investigates two types of such materials, distinguished by their dimensionality : GaMo4S8 crystals and monolayer 1T-TaSe2.After presenting their properties in the first chapter, the second chapter addresses the local-scale characterization techniques used to characterize both materials, namely scanning tunneling microscopy and spectroscopy for structural and electronic studies, and multi-tip scanning tunneling microscopy for transport measurements. The latter technique was particularly employed to analyze transport in GaMo4S8. The study then delved into the material response to external electric fields, examining the threshold electric field in relation to the electrode geometry and exploring the temporal evolution of switching times in connection with inter-electrode distances. The achievement of volatile transitions opens prospects for applications such as the operation of a microneuron at room temperature.To enhance the control over phase transition properties of Mott insulators, it is beneficial to consider two-dimensional systems where the current flow is restricted within the crystal plane. The final chapter focuses on the 1T phase of TaSe2, epitaxially grown on gallium phosphide (GaP) semiconductor substrates. Low-temperature scanning tunneling microscopy studies reveal that 1T-TaSe2 monolayers exhibit not only the characteristic charge density modulation (Star of David) of the charge density wave phase but also a unique Moiré pattern due to the monolayer interaction with the GaP substrate. Scanning tunneling spectroscopy has identified a bandgap, hallmark of the Mott insulating state. This state is further substantiated by temperature-dependent transport measurements that show the persistence of the insulating phase up to 400 kelvins. Notably, spectroscopic measurements with varying tip-to-surface distances have unveiled insulator to metal transitions at low temperatures. The observation of such transitions suggests that this large-scale heterostructure could be a material of choice for neuromorphic applications.