Résumé

En effet, il n’a été reporté qu’avec un taux de lacune en oxygène de 4% (Sr₂IrO_3.96), un état métallique s’établit au-dessus de T_{M I}=105 K puis, au-delà, il est de nouveau isolant. Cet état métallique présente une caractéristique étonnante, il est déstabilisé par un champ magnétique (T_{M I} diminue). Nous pouvons noter que l’état AF est stabilisé par ce type de dopage ce qui est inhabituel, tous les autres types de dopage étudiés jusqu’à maintenant ne modifient pas ou déstabilisent cet état magnétique. Avec seulement 4% d’oxygène vacant, l’angle de rotation des octaèdres est diminué de près de 0.8^◦ avec une diminution du volume de 0.14% or, c’est cet angle qui contrôle le saut des électrons 5d via les oxygènes ainsi que le superéchange. Les auteurs de cette étude attribuent la métallicité à ce changement structural. Malheureusement, cet état est difficile à reproduire et aucune autre étude n’y est parvenue.

La dernière façon de modifier cette structure est de créer des lacunes de strontium. Les me-sures de structure font apparaître un effet contre intuitif [Kong2015], l’axe c se contracte avec le dopage mais la distance iridium-oxygène apical augmente. Cette propriété est aussi observée dans le cas du dopage lanthane [Cosio-Castaneda2007]. Au-delà de x =0.48 (Sr_1.52IrO₄), il y a une varia-tion brusque des paramètres de maille qui s’accompagne d’une transivaria-tion vers un état métallique [Sun2016].

1.5 Résumé

Bien que présentant des orbitales actives 5d sur le site de l’iridium, Sr₂IrO₄ est un isolant. Sa compréhension nécessite de faire intervenir le fort couplage-spin orbite inhérent à ces atomes lourds. Sr₂IrO₄est l’archétype des isolants de Mott induit par fort couplage spin-orbite. Son comportement magnétique est très proche de celui de La₂CuO₄, avec un fort couplage isotrope intra-plan et un couplage inter-plan très faible rendant un modèle Heisenberg 2D particulièrement adapté à sa description.

La reproduction numérique détaillée de la structure de bande complexe, à cause du grand nombre d’interactions en compétition, reste une étape importante sur le plan théorique. La théorie permettra, sans doute, d’améliorer notre compréhension de la transition isolant-métal dans ce composé mais aussi, plus généralement, dans les isolants de Mott.

Induire une transition isolant-métal par dopage chimique peut se faire en substituant le stron-tium par du lanthane (dopage électron) ou alors en substituant l’iridium par du rhodium (dopage trou). Les deux dopages montrent des comportements semblables mais aussi des différences menant à une physique riche. Cette transition vers un état métallique est au centre de ce manuscrit.

Chapitre 2

Synthèse et caractérisation

Le travail de synthèse et de caractérisation est essentiel avant toute étude fine des propriétés d’un matériau. Le but est d’avoir les cristaux les plus purs possibles, c’est à dire sans phase parasite et avec peu de défauts structuraux, comme des lacunes ou des atomes interstitiels. La caractérisation permet de mieux connaître les propriétés du matériau synthétisé et leur reproductibilité et permet souvent en retour d’améliorer les synthèses.

Dans cette thèse nous avons synthétisé et caractérisé nous-mêmes les composés sur lesquels nous avons par la suite travaillé avec les techniques d’ARPES, de RMN et de µSR. Le but de cette section est de décrire les conditions de croissance des cristaux de Sr₂IrO₄ et ses différents dopages. Dans un second temps, nous allons décrire les méthodes de caractérisation utilisées pour déterminer leur composition chimique et leurs propriétés magnétiques et de transport et pour finir, nous verrons comment ont été préparés les échantillons destinés aux mesures RMN

2.1 La méthode de flux

2.1.1 Les conditions de synthèse

La synthèse de Sr₂IrO₄ se fait par une méthode de flux. Le flux, qui sera ici SrCl₂, sert prin-cipalement à diminuer la température de fusion de l’ensemble des composants. Nous avons repris des méthodes de synthèse publiées dans la littérature [Kim2009], initialement avec l’aide du groupe de I.R. Fisher (université de Stanford). Pour Sr₂IrO₄, nous mélangeons en proportion 1 : 2 : 7 les poudres IrO₂, SrCO₃ et SrCl₂ respectivement, dans un creuset en platine Pt ou platine-iridium [Sung2016]. Après avoir bien mélangé les poudres, nous refermons le creuset avec un couvercle de même composition que celui-ci afin d’avoir une atmosphère maîtrisée au cours de la synthèse. Le tout est placé dans des pierres réfractaires, elles-mêmes placées dans un four Carbolite RHF 16/8. De nombreux cycles de température ont été testés, avec des vitesses de chauffage et refroidisse-ment différentes, des paliers de durée variable et différentes températures maximales ou de trempe. Toutefois, les cristaux présentés dans le reste de la thèse ont été principalement synthétisés par le cycle de la figure 2.1. Il consiste à chauffer rapidement à 1300^◦C puis utiliser une rampe de -8^◦C.h⁻¹ jusqu’à 900^◦C et enfin couper le chauffage pour réduire rapidement la température jusqu’à l’ambiante.

2.1.2 Extraction des échantillons

En sortie de four, les cristaux sont mélangés à des restes de flux en excès. Nous pouvons dissoudre ce flux avec de l’eau distillée, à plusieurs reprises, pour extraire les cristaux. Une bonne partie des cristaux ne tiennent que faiblement aux parois, par contre, certains sont fortement accrochés. Ces derniers se cassent souvent lors de leur extraction formant une poudre qui ne sera pas utilisée.

Figure 2.1: Cycle de température utilisé pour la synthèse des cristaux de Sr2IrO₄.

Les creusets sont ensuite grattés puis trempés dans de l’acide nitrique pendant environ 12 h pour nettoyage. Ils sont ensuite rincés à l’eau distillée avant de servir à nouveau et sont régulièrement renouvelés.

(a) (b)

Figure 2.2: (a) Fond d’un creuset remplit de cristaux de Sr2IrO4après avoir enlevé le flux à l’eau distillée. (b) Monocristal observé par microscope électronique à balayage.

Les cristaux obtenus ont souvent une forme allongée avec une taille allant de 100 micromètres à quelques millimètres et des arêtes bien définies. Ces arêtes correspondent aux directions ~a et ~b pour les échantillons purs. L’épaisseur des cristaux est souvent faible, de l’ordre de 100 µm.

2.1.3 Synthèse des échantillons dopés

Pour les échantillons dopés Rh, nous substituons une partie de l’oxyde d’iridium IrO₂ par de l’oxyde de rhodium Rh₂O₃. Le cycle de température utilisé est le même. Nous n’avons pas remarqué d’influence significative sur les propriétés des échantillons avec des températures de trempe ou des proportions initiales légèrement différentes. Les cristaux obtenus sont de plus en plus petit à mesure que le taux de rhodium augmente. Par contre, la forme des cristaux change, l’axe c qui était fin dans les échantillons purs devient l’axe de croissance principal pour les plus fortement dopés. De même, les arêtes des échantillons sont orientées à 45^◦ par rapport à ceux du pur. Malgré le peu