Axe : NanoElectronique (NE) Quantum Transport Group http://qtg.lpem.espci.fr/ Laboratoire Physique et Etudes des Matériaux (LPEM) - ESPCI 10 Rue Vauquelin, 75005 Paris http://www.lpem.espci.fr Responsable d’équipe : Hervé Aubin [email protected] Membres permanents de l’équipe : Hervé Aubin [email protected] Alexandre Zimmers [email protected] Support Technique : Francis Cassagne [email protected] _________________________________________________________________________ Activité scientifiques de l’équipe : Le groupe est spécialisé dans l’étude des propriétés de transport électronique quantique, transport hors-équilibre et spectroscopie tunnel (nanogap et STM) de matériaux fortement corrélés dans le régime de fort confinement spatial. Ces études sont essentiellement motivées par des questions fondamentales de physique des solides, mais également par la volonté de contribuer à l’émergence de nouvelles architectures électroniques, comme l’électronique moléculaire, la spintronique, les systèmes mémorésistif, ou l’électronique quantique. Le premier thème qui nous intéresse est l’étude des effets du confinement quantique dans divers types de nanoparticules synthétisées par voie chimique, en particulier : - Des nanoparticules supraconductrices. Dans un supraconducteur, le condensat superfluide est formé de la condensation de Bose d’un nombre macroscopique de paires de Cooper, i.e. les bosons élémentaires de la supraconductivité. Dans une nanoparticule, seul un nombre réduit de paires de Cooper subsistent. Quelle est la nature de l’ordre supraconducteur lorsqu’une seule paire de Cooper subsiste dans la nanoparticule ? Existe-t-il des fluctuations quantiques ? - Des nanoparticules de magnétite (Fe3O4). La magnétite présente une transition métal-isolant à la température de Verwey, Tv~120 K. Une transition qui présente de nombreuses similarités avec la cristallisation de Wigner due aux interactions de Coulomb. Grâce à la possibilité de synthétiser des populations monodisperses de nanoparticules de magnétite, ce système constitue un cas idéal pour étudier les effets du confinement quantique dans des matériaux présentant de fortes interactions de Coulomb. Le second thème qui nous intéresse est la réalisation de circuits ioniques ou de circuits hybrides combinant matériaux semiconducteurs et conducteurs ioniques. Ces travaux ont pour objectif, d’une part : - L’étude du diagramme de phase de matériaux divers en fonction du dopage dans des dispositifs de type transistor à double couche électrostatique. - La réalisation de circuits ioniques par microfabrication pour la réalisation de canaux ioniques, diodes ioniques, transistors ioniques, etc - La mise en forme du dopage à l’échelle nanométrique via la lithographie électronique d’électrolytes déposées sur des semiconducteurs. Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des nanosciences : Transport électronique dans des reseaux de nanoparticules Dans les nanoparticules, l’énergie de Coulomb élevée a pour conséquence de supprimer les fluctuations de charge. Dans un réseau de nanoparticules, cela conduit à des lois de transport activées où l’énergie d’activation est déterminée par cette énergie de Coulomb. Une expérience récente de mesures du transport électronique dans des réseaux de nanoparticules couplées par des molécules alcanes de longueurs variables nous a permis de montrer qu’en augmentant le couplage tunnel entre nanoparticules, le transport électronique devient contrôlé par le phénomène de cotunneling, lequel permet des longueurs de saut tunnel Réseau de nanoparticules d’or obtenu « effectives » variables, ce qui se traduit par des lois par la méthode de Langmuir. de transport de type « Variable Range Hopping ». “Electron Cotunneling Transport in Gold Nanocrystal Arrays” H. Moreira, Q. Yu, B. Nadal, B. Bresson, M. Rosticher, N. Lequeux, A. Zimmers, and H. Aubin Phys. Rev. Lett. 107, 176803 (2011) Spectroscopie tunnel de nanoparticules individuelles Afin de réaliser la spectroscopie tunnel de nanoparticules sur circuit, nous avons développé un dispositif permettant de projeter les nanoparticules sous vide. Après chaque projection, le courant tunnel est mesuré pour vérifier la présence d’une nanoparticule. Le dispositif permet des centaines de projections en quelques heures, ce qui augmente considérablement la probabilité de piéger une nanoparticule. Ce dispositif a été testé avec des nanoparticules d’or, jonctions qui ont démontré la présence du blocage de Coulomb. Ce dispositif a ensuite été utilisé pour piéger des nanoparticules de magnétite. Les échantillons réalisés ont permis la première étude de la transition de Verwey en fonction de la température et du champ électrique dans une nanoparticule unique. La figure du dessus présente le dispositif de projection. Actuellement, ce dispositif est installé dans une boite à gants. La figure du dessous présente un tracé couleur de la résistance différentielle dV/dI d’une nanoparticule de magnétite en fonction de la température et de la tension appliquée entre les deux électrodes. Ce tracé démontre que la ligne de transition de Verwey peut être franchie en augmentant soit la température soit le champ électrique. “In-Vacuum projection of nanoparticles for on-chip tunnelling spectroscopy” Qian Yu, Limin Cui, Nicolas Lequeux, Alexandra Zimmers, Christian Ulysse, Valentina Rebuttini, Nicola Pinna, and Hervé Aubin ACS Nano, 2013, 7 (2), pp 1487–1494 “Electric field induced Verwey transition in a single magnetite nanoparticle” Q. Yu, H. Wang, A. Mottaghizadeh, A. Zimmers, H. Aubin. En preparation Microscopie à force électrostatique au voisinage de transitions métal-isolant La réponse au champ électrique d’un matériau est reliée à sa compressibilité électronique, laquelle est une grandeur thermodynamique fondamentale pour les systèmes électroniques. La microscopie à force électrostatique, EFM, permet une mesure très sensible de la force électrostatique et donc du champ électrostatique entre une pointe et un substrat, et cela, à l’échelle de la longueur d’écrantage de Debye. La microscopie EFM est donc potentiellement un outil adaptée à la mesure de la compressibilité électronique de matériaux massifs ou de nanoobjets. Nous avons utilisé la microscopie EFM pour étudier la transition isolant à métal induite par un champ électrique dans VO2, ainsi que pour étudier les propriétés d’écrantage/diélectrique de nanoparticules de Fe3O4. “Nanoparticles charge response from Electrostatic Force Microscopy” A. Mottaghizadeh, P. Lang, L. Cui, J. Lesueur, V. Rebuttini, N. Pinna, A. Zimmers and H. Aubin Appl. Phys. Lett. 102, 053118 (2013) “Electric-field-driven phase transition in vanadium dioxide” B. Wu, et al. Phys. Rev. B 84, 241410 (2011) Images EFM mesurée à trois températures, pour des distances croissantes entre la pointe et l’échantillon Fluctuations supraconductrices et effets du confinement sur la supraconductivité La supraconductivité est caractérisée par la formation de paires de Cooper et l’établissement de d’une cohérence de phase entre ces paires de Cooper. En réduisant le volume d’une nanoparticule, le nombre d’électrons participant à la formation du condensat superfluide diminue. Pour des nanoparticules de plomb d’une dimension environ 5 nm, on peut estimer qu’une seule paire de Cooper devrait subsister dans la nanoparticule. De nombreuses questions subsistent quant à la nature de ce condensat superfluide formé d’un nombre réduit de paires de Cooper. Nous avons pu mettre au point au laboratoire une méthode de synthèse de nanoparticules de plomb supraconductrice. Ces nanoparticules sont désormais employées pour l’étude des effets du confinement quantique sur la supraconductivité. Nanoparticules de Plomb supraconductrices synthétisées au laboratoire. “Synthesis of Monodisperse Superconducting Lead Nanocrystals” Irene Resa, Hélèna Moreira, Bruno Bresson, Benoit Mahler, Benoit Dubertret and Hervé Aubin J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (17) “Nernst effect as a probe of superconducting fluctuations in disordered thin films” A Pourret, P Spathis, H Aubin and K Behnia New Journal of Physics 11, 055071(2009) “Observation of the Nernst signal generated by fluctuating Cooper pairs” A. Pourret, H. Aubin, J. Lesueur, C.A. Marrache-Kikuchi, L. Bergé, L. Dumoulin, K. Behnia Nature Physics 2 (10) 683-686 (2006) IONICS Un nouveau domaine émerge où la manipulation contrôlée des ions permettra de changer les propriétés électroniques des matériaux. La fabrication de dispositifs ioniques possède des applications potentielles pour des études fondamentales en physique de la matière condensée ainsi que pour le développement de nouveaux types de composants électroniques (memristors, synapses artificiels), dont le développement pourrait permettre l’émergence de nouvelles architectures informatiques. Conductance différentielle dI/dV en fonction de la tension de drain d’une jonction métal/STO/métal. Entre chaque une impulsion de tension est appliquée pour déplacer les ions dans le nanofilament. Dans le laboratoire, nous avons développé une nouvelle méthode pour étudier la formation de nanofilaments conducteur dans des oxydes tels que TiO2, SrTiO3, avec une résolution telle que même les effets de la diffusion d’un faible nombre de lacunes d’oxygène peuvent être caractérisée. “Metal oxide resistive switching: evolution of the density of states across the metal insulator transition.” A. Mottaghizadeh1, P. Lang1, Q. Yu1, A. Zimmers1, H. Aubin1 In preparation Programme de recherche : Nos travaux de recherche sont actuellement focalisés, d’une part, sur l’étude des propriétés de transport au sein de nanoparticules individuelles, afin d’y étudier des effets de confinement ou des effets de transport hors-équilibre, d’autre part, sur l’étude de nanojonctions réalisés sur des oxydes de métaux dans lesquels les lacunes d’oxygène sont déplacés par un champ électrique à basse température, et enfin, sur la réalisation de circuits ioniques à partir d’électrolytes polymères lithographiées par faisceau électronique. Spectroscopie de nanoparticules Nanoparticules supraconductrices : Pb et SrTiO3 Depuis la définition en 1959 par P.W. Anderson du critère d’existence de la supraconductivité, la question de la survie de la supraconductivité dans les nanoparticules reste encore un sujet très peu exploré. Nous étudions la persistance des corrélations de paires et de la cohérence supraconductrice dans des nanoparticules supraconductrices à travers des mesures de spectroscopie tunnel. Nanoparticules de semi-métaux et de semiconducteurs à petits gaps Si les effets de confinement quantique sont bien compris dans les semiconducteurs à large gap, nous cherchons également à étudier les semi-métaux et les semiconducteurs à petits gaps. Nanoparticules de magnétite, Fe3O4 A la suite de nos travaux déjà réalisés sur les nanoparticules de magnétite, Fe 3O4, nous poursuivrons des mesures sur des nanoparticules de Fe3O4 de dimensions plus faibles. Nanoparticules d’oxydes de Titane Il existe aujourd’hui une activité importante sur la synthèse de nanoparticules d’oxyde de titane en raison de leurs propriétés catalytiques. Dans ce projet, nous réaliserons la spectroscopie tunnel de plusieurs oxydes de titanes (TiO2 – anatase), Ti4O7, ou le titane se trouve dans différents états d’oxydation. Ces mesures permettront de caractériser le spectre électronique de ces nanoparticules, afin, éventuellement, de pouvoir les relier aux propriétés chimiques et catalytiques de ces nanoparticules. Ionics Une première partie de ce projet consiste en l’étude des propriétés électroniques de nanofilaments conducteurs à l’échelle nanométrique. En utilisant une méthode récemment développée dans le groupe, nous suivons l’évolution des propriétés conductrices du composant memristif lorsque les lacunes d’oxygène s’accumulent dans le filament avec une résolution telle que même les effets d’un faible nombre de lacunes d’oxygènes peuvent être caractérisés. Cette étude sera réalisée sur le semiconducteur TiO2, l’isolant de Mott NiO, l’hétérostructure LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) et SrTiO3, un matériau dans lequel nous avons découvert que le filament induit par le champ électrique devient supraconducteur à très basse température. En dépit de leur apparente simplicité, les memristors à base d’oxyde de Titane sont des matériaux très complexes. TiO2 joue le rôle de l’électrolyte pour la migration des lacunes d’oxygène ainsi que le rôle du semiconducteur pour le transport des électrons. Pour cette raison, la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes de combiner les circuits ioniques et les circuits électroniques est nécessaire. La seconde partie de ce projet consiste en la fabrication de circuits ioniques à partir d’électrolytes polymères utilisant des méthodes lithographiques récemment développées dans le groupe. Les circuits polymères ioniques seront fabriqués sur des matériaux semiconducteurs afin de combiner le transport ionique et le transport électronique. La densité de porteur élevée autorisée par le dopage à double couche électrostatique permettra la fabrication de constrictions quantique et de points quantique. Interactions et collaborations en Ile de France, et actions C'Nano IdF et/ou IFRAF : - Collaboration C. Ulysse (LPN_Marcoussis), microfabrication de nanogaps - Collaboration B. Dubertret – ESPCI – synthèse quantum dots - Collaboration D. Portehault / C. Sanchez (LCMCP) - synthèse nanoparticule oxyde Références : “Metal oxide resistive switching: evolution of the density of states across the metal insulator transition.” A. Mottaghizadeh1, P. Lang1, Q. Yu1, A. Zimmers1, H. Aubin1 In preparation “Electric field induced Verwey transition in a single magnetite nanoparticle” Q. Yu1, H. Wang, A. Mottaghizadeh1, A. Zimmers1, H. Aubin1 En preparation “Nanoparticles charge response from Electrostatic Force Microscopy” A. Mottaghizadeh, P. Lang, L. Cui, J. Lesueur, V. Rebuttini, N. Pinna, A. Zimmers and H. Aubin Appl. Phys. Lett. 102, 053118 (2013) “In-Vacuum projection of nanoparticles for on-chip tunnelling spectroscopy” Qian Yu, Limin Cui, Nicolas Lequeux, Alexandra Zimmers, Christian Ulysse, Valentina Rebuttini, Nicola Pinna, and Hervé Aubin ACS Nano, 2013, 7 (2), pp 1487–1494 “Gate tunable conductivity of hybrid gold nanocrystal–semiconducting matrix thin films” Brice Nadal , Qian Yu , Nicolas Lequeux and Hervé Aubin J. Mater. Chem., (2012), J. Mater. Chem., 2012,22, 15013-15020 “Electric-field-driven phase transition in vanadium dioxide” B. Wu, A. Zimmers, H. Aubin, R. Ghosh, Y. Liu, and R. Lopez, Phys. Rev. B 84, 241410 (2011) “Electron Cotunneling Transport in Gold Nanocrystal Arrays” H. Moreira, Q. Yu, B. Nadal, B. Bresson, M. Rosticher, N. Lequeux, A. Zimmers, and H. Aubin Phys. Rev. Lett. 107, 176803 (2011) “Synthesis of Monodisperse Superconducting Lead Nanocrystals” Irene Resa, Hélèna Moreira, Bruno Bresson, Benoit Mahler, Benoit Dubertret and Hervé Aubin J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (17), “Nernst effect as a probe of superconducting fluctuations in disordered thin films” A Pourret, P Spathis, H Aubin and K Behnia New Journal of Physics 11, 055071(2009)