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Nouveaux isolants de Mott pour la nano-électronique

Mars 2008

La possibilité de basculer la résistance électrique d’un objet d’un état de haute résistance vers un état de basse résistance est à la base de nombreux composants électroniques dont les mémoires RRAM (Resistive Random Access Memory). Si la technologie des semi-conducteurs continue de dominer ce secteur, de nouvelles pistes sont en cours d’exploration. Ainsi, une collaboration entre des chimistes et physiciens du solide de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes et l’équipe « Dispositifs quantiques contrôlés » de l’INSP a conduit à la découverte d’un changement de résistance de plusieurs ordres de grandeur dans l’isolant de Mott GaTa4Se8 sous l’effet de pulses électriques. La transition résistive résulterait d’une modification de la structure électronique du matériau conduisant à la coexistence de zones métalliques (conductrices) et isolantes à l’échelle nanométrique. Si les expériences de STM/STS ont contribué à une meilleure compréhension des propriétés étonnantes de ce matériau, elles ont aussi permis de démontrer qu’il était possible de modifier localement la structure électronique du matériau à l’échelle nanométrique ce qui ouvre l’espoir à terme de concevoir de nouveaux types de circuits électroniques.

La transition métal-isolant de Mott, est l’une des questions majeures de la physique du solide et, si cette transition sous l’effet de la température ou de la pression est assez bien connue, l’apparition d’une phase métallique rémanente sous l’effet d’un pulse électrique est un effet très peu étudié. Cette transition Métal-Isolant a d’abord été mise en évidence par des mesures de transport sur des monocristaux de quelques chalcogénures de métaux de transition à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes, en observant un changement de résistance de plusieurs ordres de grandeur par application de pulses électriques. Les expériences de Microscopie/Spectroscopie Tunnel conduites à l’Institut des NanoSciences de Paris sur des cristaux clivés de GaTa4Se8 avant et après application des pulses électriques ont montré que la modification de ces propriétés de transport était liée à une modification des propriétés électroniques en volume du matériau avec la coexistence sur une échelle nanométriques de régions métalliques et isolantes (voir Figure 1). Ce matériau est aussi sensible au champ électrique local qui règne entre la pointe STM et la surface du matériau au cours d’une expérience de microscopie tunnel (STM), ce qui complique singulièrement son observation, mais autorise aussi la modification du matériau à l’échelle locale. Il a ainsi été possible de « lithographier » la surface de GaTa4Se8 à température ambiante avec une résolution de 3 nm (Figure 2). La densité d’information ainsi stockée dépasse 1Tbit/cm2. L’étude de ces isolants de Mott apparaît donc comme particulièrement exaltante, tant pour la compréhension du mécanisme sous-jacent que pour l’élaboration de dispositifs mémoire RRAM.

GIF © INSP-IMN 2007

Images STM de deux cristaux clivés de GaTa4Se8. A grande échelle, les images des cristaux n’ayant pas transité en (a) (tension tunnel 0.76V, I = 0.25nA) et ayant transité en (b) (tension tunnel 0.56V, I = 0.25nA) font apparaître les grandes terrasses. Cependant, à l’échelle nanométrique, d’importantes différences sont observées : tandis que la surface des cristaux n’ayant pas transité ne présente aucune structure (c) (tension tunnel 0.76V, I = 0.25nA), celle des cristaux ayant transité montre un motif filamentaire (d) (tension tunnel 0.44V, I = 0.17nA). En insert de (d) : le profil topographique Z(X) correspondant à la ligne souligne la modulation spatiale observée.

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© INSP-IMN 2007

Image STM (800nm x 800nm) acquise à T = 300 K après nano-écriture (taille des pixels 3nm) à l’aide d’une pointe de W face à un échantillon monocristallin de GaTa4Se8.

En savoir plus :

« Electric Pulse driven Electronic Phase Separation, Insulator - Metal Transition and Possible Superconductivity in a Mott insulator » Advanced Materials, accepté pour publication, 2008

Vincent Dubost, Tristan Cren, François Debontridder, Dimitri Roditchev de l’INSP

Cristian Vaju, Laurent Cario, Benoit Corraze, Etienne Janod, Daniel Braithwaite et Olivier Chauvett de l’Institut des Matériaux

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