Transition de Mott métal-isolant induite par pulse électrique

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.

La transition Métal-Isolant de Mott est simple à appréhender intuitivement comme la compétition entre l’énergie cinétique, conduisant au caractère délocalisé, et la répulsion coulombienne sur site, conduisant au caractère localisé. Elle se revèle être un difficile problème théorique, dont le développement s’étend sur près de trois quarts de siècle, étant de part sa nature même un problème non perturbatif.
Dans un bon métal, les électrons des couches externes sont relativement peu liés au noyau, si bien qu’ils peuvent se délocaliser dans tout l’échantillon. Ceci conduit à les représenter comme des ondes planes, et donc au modèle du gaz d’électrons indépendants. Son extension, la prise en compte des interactions coulombiennes entre électrons, constitue la théorie de Landau des liquides de Fermi. Le point de départ de la description d’un isolant de Mott est différent. Les électrons qui pourraient participer à la conduction appartiennent à des orbitales atomiques contractées, comme les orbitales 3d et 4d des métaux de transition, ou les orbitales f des terres rares. Ceci à deux conséquences : le recouvrement entre les orbitales de deux atomes voisins est relativement faible, ce qui limite la délocalisation des électrons. De plus, l’occupation de la même orbitale par deux électrons va entrainer, du fait de la répulsion coulombienne, un coût énergétique. On s’attend donc intuitivement à la transition lorsque ces deux échelles d’énergie : répulsion coulombienne sur site, traditionellement noté U, et largeur de bande pour le système sans interactions, seront comparables.

La figure ci-dessus permet de préciser cette idée. Lorsque la distance interatomique est grande, le recouvrement entre orbitales est faible et le système est isolant. Le recouvrement croît lorsque la distance entre sites décroit, ce qui aboutit au croisement des bandes, c’est à dire un système métallique, pour une distance critique. Pour simples qu’elles soient, ces considérations fournissent un très utile ‘schéma de pensée’, par exemple lors de la sythèse de matériaux. Appliquer une pression hydrostatique entraine un raccourcissement des distances interatomiques et donc stabilise le coté métallique, mais au lieu d’appliquer une pression extérieure, on peut appliquer une pression ‘chimique’, et modifier via des substitutions, ces distances interatomiques, et donc stabiliser le coté métallique ou même isolant, en appliquant l’équivalent d’une pression ‘négative’. (extrait de la thèse de V. Dubost)

Les expériences de Microscopie/Spectroscopie Tunnel conduites à l’Institut des NanoSciences de Paris sur des cristaux de GaTa4Se8 clivés avant et après application de 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 nanométrique de régions métalliques et isolantes (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.

En savoir plus :

Resistive switching at the nanoscale in the Mott insulator compound GaTa4Se8
Vincent Dubost, Tristan Cren, François Debontridder, Dimitri Roditchev, Cristian Vaju, Vincent Guiot, Laurent Cario, Benoît Corraze, Etienne Janod
Nano Lett. 13, (8) (2013)

Electric field induced avalanche breakdown and non-volatile resistive switching in the Mott Insulators AM(4)Q(8)
Corraze, B. ; Janod, E. ; Cario, L. ; et al.
Eur Phys J-Spec Top. 222 : 5, 1047 (2013)

Avalanche breakdown in narrow gap Mott Insulators GaTa4Se8-xTex
V.Guiot, L.Cario, E.Janod, B.Corraze, V.TaPhuoc, M.Rozenberg, P.Stoliar, T.Cren, and D.Roditchev
Nat. Commun. 4, 1722 (2013)

Electric-Field-Assisted Nanostructuring of a Mott Insulator
Vincent Dubost, Tristan Cren, Cristian Vaju, Laurent Cario, Benoit Corraze, Etienne Janod, François Debontridder, Dimitri Roditchev
Adv. Funct. Mater. 19, 2800-2804 (2009)

Electric-pulse-induced resistive switching and possible superconductivity in the Mott insulator GaTa4Se8
C. Vaju, L. Cario , B. Corraze, E. Janod, V. Dubost, T. Cren, D. Roditchev, D. Braithwaite and O. Chauvet
Microelectron. Eng. 85, 2430–2433 (2008)

Electric-pulse-driven electronic phase separation, insulator-metal transition, and possible superconductivity in a Mott insulator
Cristian Vaju, Laurent Cario, Benoit Corraze, Etienne Janod, Vincent Dubost, Tristan Cren, Dimitri Roditchev, Daniel Braithwaite, Olivier Chauvet
Adv. Mater. 20, 2760–2765 (2008)

Encore plus ?

« Une initiation aux concepts et matériaux de la Transition Métal-Isolant de Mott », Vincent Dubost (2014)

« Étude par microscopie/spectroscopie tunnel de la transition isolant/métal induite par pulses électriques dans GaTa4Se8 », thèse de Vincent Dubost soutenue le 10 novembre 2009