5.2 Etude de la transition supraconducteur-isolant dans a-InOx . . 88
5.2.1 La TSI induite par le désordre . . . 89
5.2.2 La TSI induite par le champ magnétique. . . 91
Superconductivity and disorder in Indium Oxide
This chapter is a review of the principal results reported in the literature on indium oxide samples in the context of the superconductor-insulator transition (SIT). Some perspectives are mentioned in the conclusion.
Indium oxide (In2O3) is a n-type semiconductor widely used in photovoltaic industry
and studied in condensed matter physics for more than three decades. For this compound, adjusting the oxygen pressure during sample preparation allows to tune mobile carrier den- sity n and to change its structure between crystalline, granular or amorphous phases. We will see that three-dimensionnal amorphous samples are precious specimens to study the SIT in homogeneously disordered systems and to test models describing the competition between localization and superconductivity (chapter 3& 4).
Many groups have reported the existence of a direct disorder-tuned SIT (d-SIT) whitout intermediate metallic phase in amorphous indium oxyde (a-InOx). With increasing level
of disorder, resistivity progressively increases and critical temperature decreases until the critical disorder is reached and the system turns into an insulating state at low temperature (fig. 5.1). Insulating samples close to the critical disorder are characterized by an activated regime with R ∝ exp(T0/T). A systematic study as a function of disorder demonstrates
the continuity between Tc for superconducting samples and T0 for insulating ones (fig. 5.2).
These results strongly suggest a possible link between the antagonist electronic phases on both side of the d-SIT. This idea is also supported by the fact that this activated regime is observed only at low temperature and only for samples close to the critical disorder (fig. 5.3). Indium oxide can also undergo a magnetic-field tuned SIT (B-SIT). Indeed, applying a magnetic field to a superconducting sample induces a dramatic increase of resistivity that reaches a maximum Rmaxat B = Bmaxbefore decreasing again at higher magnetic fields (fig.
5.4). The lower the temperature, the greater is the magnitude of the magnetoresistance peak. Besides, a set of magnetoresistance curves measured at different temperatures presents a crossing point for a magnetic field Bc. At this precise field, magnetoresistance is temperature-
independant. For B < Bc, resistivity diminishes with decreasing T while for B > Bc,
resistivity conversely increases with decreasing T . Extrapolating this behavior to T = 0 allows to identify as superconducting the B < Bc phase, and as insulating the B > Bc
phase. Consequently, the magnetic field Bc is the critical field of the B-tuned SIT.
Interestingly, the insulating phase obtained at B > Bc also presents an activated regime
with R ∝ exp(T0/T). T0 depends of the magnetic field and reaches its maximum value T0max
at the magnetoresistance peak, when B = Bmax. The value T0max is very close to the critical
temperature Tc in zero-field. This suggests again a possible link between the two antagonist
electronic phases on both sides of the B-SIT (fig. 5.5).
All these results seem to indicate a link between the insulating and the superconduc- ting phases but its exact nature is unknown : an idea often proposed to interpret transport measurements is the spontaneous formation of an inhomogeneous phase made of supercon- ducting islands embedded into an insulating matrix. However, neither the superconducting islands nor the insulating sea are well described and no experimental data are available to
confirm this preliminary idea.
In the next part of this manuscript, we will present ultra-low temperature tunneling & Andreev spectroscopy obtained on amorphous indium oxide samples with different degrees of disorder. Local spectroscopy measurements have been obtained with a home-made STM and are combined with in-situ transport measurements. Consequently, we will be able to correlate density-of-states, local conductance in contact-regime and macroscopic transport characteristics as a function of the level of disorder. We will also analyze the evolution with temperature of each of these physical quantities. Experimental results will be discussed in the context of the superconductor-insulator transition, especially in the light of theories describing the competition between localization and superconductivity.
Introduction
Ce chapitre a pour objet la présentation du matériau principalement étudié au cours de cette thèse, l’oxyde d’indium. Nous aborderons d’abord brièvement la physico-chimie de ce matériau, puis passerons en revue les résultats expérimentaux les plus importants obtenus dans le contexte de la transition supraconducteur-isolant. Nous verrons notamment qu’il constitue le composé le plus approprié pour l’étude spécifique de la compétition entre localisation et supraconductivité.
5.1
L’oxyde d’indium : aspects physico-chimiques
L’oxyde d’indium de composition chimique In2O3 est un semi-conducteur de type n
dont le gap vaut 2.9 eV [134]. Il cristallise dans un phase cubique centrée et se présente en général sous forme d’une poudre de couleur jaune. Il est utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs pour former des éléments résistifs et des hétérojonctions avec des semi- conducteurs dopés [76]. Lorsqu’il est dopé avec du nitrure de titane T iN, il acquiert un comportement métallique associé à une bonne transparence optique. Il est largement utilisé sous cette forme pour former des contacts dans les écrans LCD, les diodes laser, les écrans plasma, les cellules photovoltaïques...
L’oxyde d’indium est également étudié dans le contexte de la physique des conducteurs désordonnés depuis une trentaine d’années. En effet, l’évaporation au canon à électrons d’une cible d’In2O3permet d’obtenir des films d’InOx possédant un déficit en oxygène q = 1.5−x.
En augmentant la pression résiduelle d’oxygène durant le dépôt, la concentration q de sites vacants en oxygène diminue ce qui augmente le nombre d’électrons participant à la formation de liaisons covalentes In − 0 et diminue finalement la concentration n d’électrons ne partici- pant pas à ces liaisons. Ainsi, ajuster la pression d’oxygène durant le dépôt d’un film d’oxyde d’indium permet d’induire une transition métal-isolant paramétrée par la concentration de porteurs de charge. Par ailleurs, selon la pression d’oxygène utilisée, de tels échantillons peuvent présenter à basse température une transition vers un état supraconducteur (avec des températures critiques comprises entre ∼ 0.5 K et ∼ 3.6 K [68, 69]) ou au contraire un comportement isolant. Ainsi, simplement en faisant varier un paramètre de croissance, il est possible d’étudier la transition supraconducteur-isolant dans l’oxyde d’indium. Enfin, la structure amorphe1 (identifiable par une opacité à la lumière visible, et une forte résistivité
à température ambiante [52, 68]) observée pour une large gamme de pressions d’oxygène positionne ce matériau dans la classe des systèmes uniformément désordonnés.
Nous allons maintenant rendre compte des résultats les plus significatifs obtenus sur ce matériau dans le cadre de la transition supraconducteur-isolant.