Interface p-n à base de cuprates supraconducteurs

Abstract

Cette thèse porte sur l'exploration des propriétés de l'interface entre les deux cuprates supraconducteurs La1.85Sr0.15CuO4 et Pr1.85Ce0.15CuO4 réunis selon l'axe c sous la forme d'une bicouche. En particulier, on y démontre l'existence d'un phénomène de transfert de charge entre ces deux matériaux qui génère, à l'interface, une région isolante que nous surnommons le "plateau de Mott".

Cette thèse couvre de nombreux sujets que l'on peut diviser en deux axes principaux. D'abord les aspects liés à la croissance et à la structure de la bicouche et ensuite les propriétés de transport de l'interface isolante.

Dans un premier temps, une interface directe et franche entre ces deux cuprates de dopages opposés est réalisée via une optimisation de la croissance épitaxiale de ces matériaux en bicouche par ablation laser pulsé. La qualité cristalline des meilleurs échantillons obtenus est exceptionnelle, et ce, malgré l'important désaccord de maille entre les deux structures.

La structure cristalline est ensuite principalement caractérisée par la diffraction des rayons X. Cette mesure permet d'obtenir des informations pertinentes sur la composition, l'homogénéité et les dimensions caractéristiques des couches minces. Le champ de déformation causé principalement par le désaccord de maille et la présence de dislocations à l'interface est également étudié.

À cet effet, le formalisme de séparation des effets de taille et des déformations structurelles de Warren et Averbach est adapté au cas particulier des couches minces. L'accord frappant avec laquelle ce formalisme s'applique à nos résultats témoigne de la qualité des mesures expérimentales et de la netteté de ces structures. Afin d'expliquer la forme du champ de déformation mesuré, un modèle analytique basé sur la présence de dislocations d'interface est développé. Celui-ci nous permet, entre autres, d'extraire les paramètres caractéristiques du champ de déformation. Ces nouveaux outils d'analyse permettront sans doute de tirer davantage d'informations pertinentes de la diffraction des rayons X dans des projets futurs.

La mise en évidence de l'existence du plateau de Mott et la caractérisation des propriétés sont menées via des mesures de résistance électrique. Plusieurs obstacles liés à la microfabrication des échantillons doivent d'abord être considérés. Le présent travail permet d'identifier un certain nombre de procédés qui provoquent une dégradation, parfois fatale, des propriétés des bicouches de cuprates. Dans certains cas, des solutions sont fournies ou suggérées. Les causes de ces dégradations sont généralement en lien avec la mobilité des atomes d'oxygène dans ces structures. Le savoir-faire développé ici pourra donc s'appliquer à l'étude des systèmes à base d'oxydes en général.

Finalement, des mesures de transport électrique doublées du modèle analytique de la barrière ohmique permettent d'observer l'apparition d'une zone isolante à l'interface entre les cuprates supraconducteurs La1.85Sr0.15CuO4 et Pr1.85Ce0.15CuO4. Les propriétés de transport non linéaires et asymétriques en tension de cette interface indiquent qu'elle conduit principalement par effet tunnel. L'existence de cette barrière isolante est causée par un transfert de charge entre les deux matériaux à la manière d'une jonction p-n semi-conductrice. Par contre, dans ce cas-ci, la barrière isolante est le résultat d'une transition de Mott dans la zone d'appauvrissement ce qui lui vaut l'appellation de plateau de Mott.