4.4 La cryogénie
5.1.3 Inhomogénéités électroniques dans les échantillons tran-
Une image topographique présentant des inhomogénéités filamentaires ainsi que trois cartes 𝑑𝐼/𝑑𝑉 correspondant à cette image topographique sont présentées figure (5.6). Les cartes spectroscopiques montrent que l’échantillon
Figure5.4 – Spectroscopie des échantillons de GaTa4Se8 non transités : (a)
Topographie V𝑇= 700 mV, I𝑇 = 0.1 nA . (b) Cartes de conductance 𝑑𝐼/𝑑𝑉 pour s de conductance 𝑑𝐼/𝑑𝑉 pour V = 0V. (c) Spectres 𝑑𝐼/𝑑𝑉 issus de la carte présenté en (a). Chaque spectre est la moyenne de 5000 spectres. transité est clairement inhomogène et que les variations dans les propriétés spectroscopiques sont clairement corrélées à des variations ‘topographiques’. Une partie de la variation topographique observée est donc imputable à une composante spectroscopique.
Afin d’étudier plus en détail la présence et les caractéristiques des zones ‘métalliques’, la figure 5.6 montre une carte 𝑑𝐼/𝑑𝑉 à tension nulle acquise sur le même échantillon. Il est possible de distinguer trois types de zones sur une telle carte :
La majeure partie de la carte correspond à une matrice dont les spectres représentatifs sont tracés figure 5.7. Ces spectres sont de types ‘semiconduc-teurs’, similaires à ceux du matériau non-transité.
Les zones représentées en rouge correspondent aux zones où la conduc-tance à tension nulle est maximale. Les spectres 𝑑𝐼/𝑑𝑉 représentatifs de telles zones sont repésentés sur la figure (5.7). De telles régions seront dési-gnées comme ‘métalliques’. Les dimensions apparentes de ces zones sont de l’ordre de 40 nanomètres.
Figure5.5 – (a) Image topographique (V𝑇 = 670 mV, I𝑇 = 0.19 nA) Champ 500 nm. (b) cartes dI/dV à -900 mV, 0 V,900 mV. La conductance croit du
violet au rouge. L’echelle de chaque carte spectroscopique est ajustée au contraste maximal.
Enfin, cette carte fait apparaitre un troisième type de zones, où la conduc-tance à tension nulle est strictement nulle, et où la valeur du gap est supé-rieure à celle du matériau non-transité. De telles zones sont donc désignées comme ‘isolantes’. Elles apparaissent très fréquemment spatialement asso-ciées aux zones métalliques, comme illustré sur la figure (5.6).
Outre la différence de conductance à tension nulle, les spectres ‘mé-talliques’, souvent asymétriques, se démarquent aussi des spectres ‘semi-conducteurs’ et ‘isolants’ par leur allure générale. Si les spectres ‘semi-‘semi-conducteurs’ et ‘isolants’ présentent une forme ‘en U’, les spectres métalliques présentent une forme ‘en V’. Il est difficile de pouvoir pousser plus loin la comparaison, du fait de la rareté des résultats de mesures de spectroscopie tunnel conduites sur les isolants de Mott. Néanmoins, ce comportement est qualitativement en accord avec les résultats obtenus sur NiS1−𝑥Se2 [102] [103] [104], Ca3Ru2O7
[105], Ca1.9Sr0.1RuO4[106], ainsi que les résultats de photoémission obtenus sur la série des pérovskites [107]. La transition Isolant-Métal en fonction de la température a aussi été suivie par microscopie/spectroscopie tunnel ainsi
Figure 5.6 – Carte de conductance dI/dV à tension nulle (V𝑇 = -500 mV, I𝑇 = 0.25 nA. Vert : zones ‘semiconductrices’, Rouge : zones ‘métalliques’, Violet, zones ‘isolantes’. Insert. image topographique correspondante. que par réflectivité infrarouge dans l’oxyde de vanadium VO22 [108] [109] [110]. Si nous mettons ici en évidence la présence de zones métalliques dans le volume du matériau, il faut se garder de conclure hâtivement que la den-sité d’états mesurée ici correspondrait à celle attendue pour le volume du matériau. En effet, à la surface, la coordination des sites de Hubbard est inférieure à celle du volume, ce qui réduit la largeur de bande effective, et donc stabilise le coté isolant. Cet effet a été mis en évidence dans les expé-riences de photoémission, en utilisant un faiceau plus energétique, de façon à augmenter la profondeur de pénétration et donc la contribution du volume [111] [112] [113].3
2. L’origine de cette transition, et en particulier le rôle d’une transition structurale type transition de Peierls ou de l’importance des corrélations électroniques, est encore débattue. De plus, ce matériau présente aussi une transition Isolant-Métal sous pulse électrique dont l’origine ne semble pas clarifiée
3. En particulier, ces expériences avaient pour but de mettre en évidence le pic de quasi-particules prédit par la Théorie du Champ Moyen Dynamique qui n’avait pas été détecté dans les mesures conduites durant les années 1980-1990
Figure 5.7 – Spectres 𝑑𝐼/𝑑𝑉 issus de la carte reprenant le code couleur
de la figure (5.6) : Rouge : Spectres issus des zones ‘métalliques’. Vert :
Spectres issus des zones ‘semi-conductrices’, Violet : spectres issus des zones ‘isolantes’.
l’asymétrie des spectres
La figure 5.7 fait apparaître que les spectres sont asymétriques par rap-port à la tension nulle, et que cette asymétrie semble différente pour les spectres ‘métalliques’ que pour les spectres de type ‘isolants’. Afin de quan-tifier cette asymétrie, on peut donc définir pour chaque spectre un coeffi-cient 𝐴(𝑉 ) = (𝑑𝐼/𝑑𝑉 (𝑉 ) − 𝑑𝐼/𝑑𝑉 (−𝑉 ))/(𝑑𝐼/𝑑𝑉 (𝑉 )+ 𝑑𝐼/𝑑𝑉 (−𝑉 )) pour V compté positif. Une asymétrie ‘positive’ correspond donc à une conductance à tension positive, et inversement pour une asymétrie ‘négative’. Les spectres ‘isolants’ présentent une forte asymétrie négative tandis que les spectres ‘mé-talliques’ présentent une forte asymétrie positive.
En comparant la carte du coefficient d’asymétrie pour V = 400 mV, re-présentée figure (5.8 (c)) ainsi que la carte de conductance à tension nulle, il apparaît clairement que les zones métalliques sont spatialement ‘bruyantes’, ce qui suggère des basculements possibles du caractère ‘métallique’ à ‘isolant’ lors de l’acquisition du spectre. Ceci devient encore plus évident si l’on trace la carte de bruit, obtenue en traçant la variance de la conductance à ten-sion nulle pour chaque carré de quatre spectres adjacents sur la carte. Les zones bruyantes correspondent aux zones métalliques (figure 5.8 (a), (b)). Ceci montre que l’application de la rampe de tension lors de la spectrocopie modifie la surface du matériau.
Figure 5.8 – (a) Carte de conductance à tension nulle. (b)Carte de bruit
issue de la carte de conductance. Les zones ‘bruitées’ corrèlent spatialement avec les zones métalliques, ainsi que les zones ou l’asymétrie est positive(c) Carte d’asymétrie pour V = 400 mV.
Apparition de nouvelles inhomogéneités : transition métal-isolant induite par la pointe ?
Outre les inhomogénéités spectroscopiques intrinsèques, des inhomogé-néités nouvelles peuvent apparaître lors de l’acquisition des cartes spectro-scopiques. Ce fait est illustré sur la figure 5.9 qui présente trois images consé-cutives de la même région de l’échantillon. la première image montre des marches, ainsi que quelques inhomogéneités filamentaires. De nouvelles inho-mogénéités apparaissent alors à la surface lors du balayage et se démarquent par leur nature spectroscopique du reste de la matrice ‘semiconductrice’ et comportent de nombreux spectres ‘bruyants’ ou ‘métalliques’. Elles se ma-nifestent aussi dans l’image topographique. Or, les images acquises en mode topographique ne montrent pas l’apparition de nouvelles inhomogénéités. En conséquence, la modification de la surface est induite par l’application des rampes de tension pour la mesure spectroscopique.
Figure 5.9 – Evolution lors du balayage de la surface de GaTa4Se8 : En haut, images topographiques consécutives (V𝑇 = 640 mV, I𝑇 = 0.26 nA). En bas, cartes de conductance dI/dV à tension nulle correspondantes
Une coupe spectroscopique d’une telle structure est présentée figure 5.10. Le coeur de l’inhomogénéité est clairement métallique, aussi bien par la va-leur finie de la conductance à tension nulle que par l’allure ‘en V’ du spectre. Ces mesures montrent donc l’existence d’inhomogénéités métalliques dans une matrice isolante dans les échantillons transités, alors qu’elles sont ab-sentes des échantillons non-transités. Ceci constitue alors la preuve de la modification en volume des échantillons sous l’effet du pulse électrique. De telles zones métalliques sont donc à relier aux canaux métalliques détectés dans les mesures de transport. De plus, les inhomogénéités induites par la pointe n’apparaissent que lors de mesures spectroscopiques. On peut donc penser qu’elle soient engendrés par les valeurs importantes de champ élec-trique dans la jonction aux extrémités de la rampe de spectroscopie. Il n’est pas possible d’utiliser une tension tunnel plus faible, inférieures au gap de l’isolant, ce qui poserait des problèmes de régulation.