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Doctoral thesis
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Control of octahedral rotations and lattice-orbital coupling in ReVO3 heterostructures

ContributorsMeley, Hugo
Defense date2019-12-17
Abstract

Le groupe Triscone, affilié au département de la matière quantique de l'Université de Genève, est expert dans la synthèse et la caractérisation de films minces à base d'oxyde, il travaille en collaboration étroite avec d'autres groupes de recherche spécialisés dans les techniques de simulation des états quantiques de la matière. Ma thèse de doctorat s'intéresse à de nouveaux types de composés, dits artificiels, au sens ou la phase structurelle qui les caractérise est uniquement rendue possible par construction épitaxiale, c'est-à-dire par voie de synthèse. L'utilisation des oxydes comme constituants élémentaires dans les films minces offre de nombreuses possibilités ; de fait, ces composés de structure dite "perovskite" (ce{ABO3}), ont la propriété d'accepter un grand nombre de combinaison d'atomes A et B grâce à des distorsions internes du réseau cristallin. Cette famille de composés, prise dans son ensemble, couvre un champ impressionnant d'applications allant de la supraconductivité à haute température aux cellules photovoltaïques à haute efficacité, en passant par la magnétorésistance géante, pour ne citer qu'elles. Cette abondance d'états résulte de cette propriété fondamentale et propre à la structure pérovskite, de "flexibilité chimique". La synthèse de ces matériaux sous forme de films minces permet d'induire de nouvelles propriétés émergentes, par effets de composition, de présence d'interfaces, de réduction de dimension, de contrainte épitaxiale, etc. Les structures ainsi formées sont synthétisées en couches grâce au séquençage contrôlé des atomes A et B, avec une précision qui permet le dépôt de la couche monoatomique. Les travaux théoriques et expérimentaux consacrés à l'étude de ces composés ont mis en évidence le rôle déterminant que jouent les distorsions du réseau cristallin sur l'état électronique et magnétique du matériau. Dans le cas présent, les distorsions importantes du réseau sont les rotations des octaèdres, et bien que ces structures aient été massivement étudiées, certaines grandeurs comme la longueur caractéristique de propagation des rotations, ou bien leurs forces de couplage au réseau, restent indéterminées. Une idée récente, qui s'appuie sur des calculs extit{Ab-Initio}, propose d'exploiter les rotations octaédriques pour induire artificiellement un état multiferroïque dans des multicouches composées de pérovskites orthorhombiques. cite{Rondinelli2012, Benedek2012, benedek2011, benedek2015, He2010, Varignon2015}. Dans ces structures artificielles, la conjugaison des rotations avec le séquençage contrôlé des atomes A/A', a pour effet de briser la symétrie originale du composé, et de faire émerger une phase multiferroïque. Ces prédictions ont été testées sur des composés de vanadates (ce{AVO3}), contraints par construction épitaxiale et dont l'étude des distorsions internes constitue le cœur de mon travail de doctorat. Dans un premier temps, l'étude s'est concentrée sur des films simples de LaVO$_3$, de manière à identifier le rôle de la contrainte epitaxiale sur les rotations des octaèdres ainsi que sur l'état des corrélations électroniques du composé. Les expériences de diffraction aux rayons X et de microscopie électronique ont mis en évidence l'effet déterminant du niveau de contrainte sur l'orientation de l'axe le long duquel la rotation des octaèdres est dite "en phase". Techniquement, l'émergence de l'état multiferroïque recherché dans les multicouches dépend directement de l'orientation de cet axe, d'où l'importance de ce premier résultat. L'effet de la contrainte épitaxiale sur les corrélations électroniques et magnétiques a aussi été investie en utilisant les techniques de spectroscopie optique et de muons. L'ensemble de ces expériences ont permis de mettre en évidence comment le magnétisme et les corrélations entre orbitales se couplent aux rotations des octaèdres et au niveau de contrainte dans les vanadates de structure perovskite. Parallèlement, l'investigation des distorsions du réseau à l'interface film/substrat a permis de révéler une structure de quelques nanomètres au sein de laquelle les rotations "en phase" décroisent pour s'annuler. Il s'avère que la compréhension de cette interface offre une réelle opportunité pour quantifier les longueurs et énergies caractéristiques des rotations du système : un modèle de paroi élastique, spécialement développé ici, tente de décrire le phénomène pour répondre à ces questions. L'étude approfondie de la structure des films minces ayant permis de clairement identifier le rôle de la contrainte sur l'état des rotations, la fabrication de multicouches d'excellente qualité à été rendue possible : L'orientation correcte de l'axe « en phase » des rotations a été induite par un subtil contrôle du niveau de contrainte épitaxiale et le séquençage des atomes A et A' s'est fait dans des conditions de croissance idéales, c'est-à-dire avec une morphologie de surface du film stable du début à la fin de la croissance. Enfin, la détection de brisure de la symétrie de la multicouche a été investie par microscopie électronique et par génération de seconde harmonique. Ces expériences n'ont pas permis de détecter la brisure de symétrie voulue, mais ont mis en évidence un phénomène inattendu d'interdiffusion des atomes A, qui semble s'opposer à la formation de la phase souhaitée.

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Keywords
  • Vanadate
  • Electron correlation
  • Octahedral coupling
  • Octahedral rotations
  • Tilt pattern
  • Epitaxy
  • PLD
  • Biaxial strain
  • Orbital ordering
  • Mott insulator
  • Material engineering
  • Perovkite
Research group
Citation (ISO format)
MELEY, Hugo. Control of octahedral rotations and lattice-orbital coupling in ReVO3 heterostructures. 2019. doi: 10.13097/archive-ouverte/unige:150025
Main files (1)
Thesis
accessLevelPublic
Identifiers
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Technical informations

Creation02/09/2021 12:48:00 PM
First validation02/09/2021 12:48:00 PM
Update time03/16/2023 12:11:48 AM
Status update03/16/2023 12:11:47 AM
Last indexation01/29/2024 10:32:12 PM
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