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Un gaz d’électrons à la surface d’un isolant ouvre la voie du transistor multi-fonctions

Une équipe internationale pilotée par des chercheurs du CSNSM - Université Paris-Sud 11 [1] ont découvert comment créer une couche conductrice à la surface d’un matériau isolant et transparent très étudié pour la microélectronique du futur, le titanate de strontium (SrTiO3). Cette couche conductrice de deux nanomètres d’épaisseur est un gaz d’électrons métallique bidimensionnel qui fait partie du matériau. Facilement réalisable, elle ouvre des perspectives pour l’électronique à base d’oxydes de métaux de transition (la famille de SrTiO3), qui cherche à profiter de l’énorme variété des propriétés physiques de ces matériaux (supraconductivité, magnétisme, thermoélectricité, etc.) pour intégrer plusieurs fonctionnalités différentes dans un même dispositif microélectronique. Cette découverte inattendue, mise en évidence au synchrotron SOLEIL, est publiée dans la revue Nature du 13 janvier 2011.

Aujourd’hui, les composants microélectroniques sont fabriqués à base de couches de semi-conducteurs déposées sur un substrat de silicium. Afin de poursuivre l’accroissement périodique des performances des composés microélectroniques au-delà de 2020, des solutions technologiques alternatives sont à l’étude. Les chercheurs travaillent de plus en plus sur les oxydes de métaux de transition [2], qui présentent des propriétés physiques intéressantes comme la supraconductivité [3], la magnétorésistance [4], la thermoélectricité [5], la multi-ferroïcité [6], ou encore la capacité photo catalytique [7].

Parmi les oxydes des métaux de transition, le titanate de strontium (SrTiO3) est très étudié. C’est un isolant, mais il devient bon conducteur en le dopant (en créant quelques lacunes d’oxygène par exemple). Les interfaces entre le SrTiO3 et d’autres oxydes (LaTiO3 ou LaAlO3) sont conductrices, même si les deux matériaux sont isolants. En plus, elles présentent de la supraconductivité, de la magnétorésistance, ou de la thermoélectricité avec de très bons rendements à température ambiante. Seulement voilà : les interfaces entre oxydes sont très difficiles à réaliser.

Une découverte inattendue vient de faire sauter ce verrou technologique. Une équipe internationale pilotée par des scientifiques du CNRS et de l’Université Paris-Sud 11 vient de réaliser un gaz d’électrons métallique bidimensionnel à la surface de SrTiO3. Il s’agit d’une couche conductrice de deux nanomètres d’épaisseur environ, obtenue en cassant un morceau de titanate de strontium sous vide. Ce procédé, très simple, est peu coûteux. Les éléments qui constituent SrTiO3 sont disponibles en grande quantité dans les ressources naturelles et c’est un matériau non toxique, contrairement aux matériaux les plus utilisés aujourd’hui en microélectronique (les tellurures de bismuth). En outre, des gaz d’électrons métalliques bidimensionnels pourraient probablement être créés de façon similaire à la surface d’autres oxydes de métaux de transition.

La découverte d’une telle couche conductrice (sans avoir à rajouter une couche d’un autre matériau) est un grand pas en avant pour la microélectronique à base d’oxydes. Elle pourrait permettre de combiner les propriétés intrinsèques multifonctionnelles des oxydes de métaux de transition avec celles du métal bidimensionnel à sa surface. On peut songer, par exemple, au couplage d’un oxyde ferro-électrique avec le gaz d’électrons à sa surface, pour faire des mémoires non volatiles, ou à la fabrication de circuits transparents sur la surface des cellules solaires ou des écrans tactiles.

Les expériences de photoémission résolue en angle (ARPES) qui ont servi à mettre en évidence le gaz d’électron métallique bidimensionnel ont été réalisées d’une part au synchrotron SOLEIL (Saint-Aubin, France), et au Synchrotron Radiation Center (Université du Wisconsin, USA).


Fig. 1 - A gauche, photographie d’un des cristaux isolants de SrTiO3 étudiés, sur fond du plan du Métro pour bien illustrer la transparence de l’échantillon. A droite, structure de bandes électronique du gaz métallique bidimensionnel apparaissant à la surface du cristal : la probabilité de présence d’un électron, rendue en échelle d’ocres, est montrée en fonction de son énergie de liaison (E) et son impulsion (k). On y observe que la structure électronique se compose de bandes d’électrons quasi-libres (E ~ k2) quantifiées en niveaux (deux niveaux visibles). La quantification est due au confinement bidimensionnel. Les niveaux sont occupés jusqu’à une énergie bien définie (le « niveau de Fermi », EF), ou les probabilités chutent brutalement. Une telle occupation partielle des niveaux d’énergie est la définition microscopique d’un gaz d’électrons métallique.

Bibliographie

Two-dimensional electron gas with universal subbands at the surface of SrTiO3, A. F. Santander-Syro, O. Copie, T. Kondo et al. Nature, 13 janvier 2011.

Contact

Chercheur l Andrés Santander l T 01 69 15 52 22
Presse CNRS l Claire Le Poulennec l T 01 44 96 49 88

Voir en ligne : http://www.in2p3.fr/presse/communiq...


[1Cette étude a été pilotée par des chercheurs du Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (Université Paris-Sud 11/CNRS) en collaboration étroite avec des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides (Université Paris-Sud 11/CNRS), de l’Unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l’Université Paris-Sud 11 et de l’Institut d’Electronique Fondamentale(Université Paris-Sud 11/CNRS).

[2Le cuivre, le titane, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, etc.

[3La capacité à conduire le courant électrique sans pertes

[4Le changement de la résistance de plusieurs ordres de grandeur sous application d’un très faible champ magnétique, utilisée dans les disques durs.

[5La capacité de transformer un gradient de température en énergie électrique, qui pourrait servir à récupérer la chaleur dégagée par un ordinateur pour la réinjecter dans le système sous forme d’énergie (et économiser ainsi la batterie ou l’alimentation).

[6Coexistence de ferroélectricité, ferromagnétisme et/ou ferroélasticité, de quelques oxydes de fer ou de manganèse

[7De quelques oxydes de titane – qui arrivent même à faire de l’hydrolyse (la décomposition de l’eau en oxygène et hydrogène) en présence de lumière ultraviolette.