Gaz d'électrons bidimensionnels et isolants topologiques étudiés par photoémission angulaire

La découverte, en 2004, d’un gaz d’électrons métallique bi-dimensionnel (2DEG : 2D Electron Gas) à l’interface entre deux oxydes isolants [1] à ouvert la voie à une électronique à base d’oxydes pouvant potentiellement tirer parti de toute la palette de propriétés physiques de ces matériaux (magnétisme, ferroélectricité...) [2]. Les mécanismes menant à la création de ce gaz d’électrons restent à expliquer sans ambiguïté : des électrons libérés par des lacunes en oxygène sont sans doute piégés à l’interface dans un puits de potentiel créé par la courbure des bandes. L’observation d’un gaz similaire à la surface d’un monocristal de SrTiO3(001) permet l’étude de sa structure électronique par photoémission résolue en angle (ARPES : Angular Resolved PhotoEmission Spectroscopy). Sur la ligne de lumière CASSIOPEE du synchrotron SOLEIL, nous avons mis ce 2DEG en évidence [3] et montré qu’il apparaissait avec les lacunes en oxygène créées par  le faisceau synchrotron irradiant la surface. Nous avons aussi observé ce 2DEG à la surface d’autres oxydes (CaTiO3(001) [4], KTaO3(001) [5], ZnO(0001) [6]…) ; sur TiO2-anatase(001), nous avons clairement observé la courbure de bande en surface piégeant les électrons [7].

 

Afin de s’affranchir du rayonnement synchrotron et dans le but de créer le 2DEG sur toute la surface du cristal, nous avons ensuite développé une méthode consistant à déposer un métal très réducteur (Al ou Eu) à la surface de l’oxyde : ce métal va « pomper » des atomes d’oxygène des premiers plans cristallins et un 2DEG va se former à l’interface entre l’oxyde et le dépôt [8].
Dans une seconde partie, je présenterai l’étude de films minces d’alliages Bi1-xSbx. Historiquement, pour la gamme de composition 0.04<x<0.22, c’est le premier isolant topologique à avoir été mis en évidence expérimentalement [9]. A l’interface avec l’air ou le vide, on observe donc un état de surface, qui, à cause du fort couplage spin-orbite dans ce composé, va présenter une texture de spin dans sa surface de Fermi (le spin doit rester perpendiculaire au vecteur d’onde). Cette texture peut être utilisé pour la conversion courant de charge/courant de spin par effet Edelstein, ce qui est très intéressant pour le développement de composants pour la spintronique. Nous avons fait croître des films de Bi1-xSbx sur Si(111), de différentes compositions et épaisseurs, afin d’observer par ARPES l’évolution des états de surface. Pour des épaisseurs de 2 .5 à 15 nm, nous observons des effets de confinement bien reproduits par des calculs en liaisons fortes. Des expériences de photoémission résolue en angle et en spin permettent de mesurer directement la texture de spin de la surface de Fermi. De premiers résultats de conversion  courant de spin/courant de charge sont prometteurs.

 

Références :
[1] A. Ohtomo and H. Y. Hwang, Nature 427, 423 (2004).
[2] A. P. Ramirez, Science 315, 1377 (2007) ; C. Cen, S. Thiel, J. Mannhart and J. Levy, Science 323, 1026 (2009).
[3] A.F. Santander-Syro, O. Copie, T. Kondo, F. Fortuna, S. Pailhès, R. Weht, X.G. Qiu, F. Bertran, A. Nicolaou, A. Taleb-Ibrahimi, P. Le Fèvre, G. Herranz, M. Bibes, N. Reyren, Y. Apertet, P. Lecoeur, A. Barthélémy and M.J. Rozenberg, Nature 469, 189 (2011).
[4] T. C. Rödel, M. Vivek, F. Fortuna, P. Le Fèvre, F. Bertran, R. Weht, J. Goniakowski, M. Gabay, and A. F. Santander-Syro, Phys. Rev. B 96, 041121(R) (2017).
[5] C. Bareille, F. Fortuna, T. C. Rödel, F. Bertran, M. Gabay, O. Hijano Cubelos, A. Taleb- Ibrahimi, P. Le Fèvre, M. Bibes, A. Barthélémy, T. Maroutian, P. Lecœur, M. J. Rozenberg, and A. F. Santander-Syro, Sci. Rep. 4, 3586 (2014).
[6] T. C. Rödel, J. Dai, F. Fortuna, E. Frantzeskakis, P. Le Fèvre, F. Bertran, M. Kobayashi, R. Yukawa, T. Mitsuhashi, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira and A. F. Santander-Syro, Phys Rev. Mat. 2, 05160(R) (2018).
[7] T. C. Rödel, F. Fortuna, F. Bertran, M. Gabay, M. J. Rozenberg, A. F. Santander-Syro, and P. Le Fèvre, Phys. Rev. B 92, 041106 (2015).
[8] T. C. Rödel, F. Fortuna, S. Sengupta, E. Frantzeskakis, P. Le Fèvre, F. Bertran, B. Mercey, S. Matzen, G. Agnus, T. Maroutian, P. Lecœur, and A. F. Santander-Syro, Adv. Mater. 28, 1976 (2016).
[9] D. Hsieh, D. Qian, L. Wray, Y. Xia, Y. S. Hor, R.J. Cava and M.Z. Hasan, Nature 452, 970 (2008).