Comprendre la conductivité électronique d'un oxyde magnétique grâce à une microscopie électronique résolue à l'atome près

Les oxydes de fer, comme ceux des autres métaux de transition, présentent des propriétés physiques variées et peuvent être supraconducteurs à haute température, thermoélectriques, multiferroïques, ou encore présenter des transitions métal-isolant. Ces propriétés résultent de l’existence de fortes interactions entre la densité de charge, le réseau cristallin et les degrés de liberté orbitaux et de spin électronique. Maîtriser ces propriétés et concevoir de nouveaux matériaux aux spécificités contrôlées nécessite de connaitre très précisément la structure et l’organisation de ces oxydes. C’est ce que vient de réaliser une équipe de physiciens du Groupe d’Études de la Matière Condensée - GEMaC (CNRS / Univ. Versailles St Quentin en Y.), du Laboratoire de Physique des Solides - LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud), du Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales - CEMES (CNRS) et de l’Université de Cork en mesurant pour la première fois, à l’atome près par microscopie électronique, la distribution de l’état de charge du fer et du titane dans un film mince monocristallin de titanate de fer déficient en oxygène Fe_2-xTi_x O_3-d. Ces mesures, interprétées par une modélisation théorique, permettent de mieux comprendre le magnétisme et la conduction électronique de ce matériau. Ces travaux éclairent d’un nouveau jour les propriétés géomagnétiques de ce composé que l’on retrouve dans la croûte terrestre et permettent d’envisager son utilisation pour des applications de spintronique. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters. Pour obtenir ces résultats, les physiciens ont travaillé sur le titanate de fer Fe_2-xTi_x O_3-d en films minces monocristallins rendus intentionnellement déficients en oxygène. Cette déficience induit la présence de porteurs de charges libres, rendant ce matériau semiconducteur alors qu’il est naturellement isolant. Dans ce matériau le fer et le titane peuvent se trouver dans divers états d’oxydation: Fe²⁺ et Fe³⁺ pour le fer et Ti³⁺ et Ti⁴⁺ pour le titane. Ce matériau cristallisé est préparé sous forme d’une «tranche» ultramince, judicieusement découpée dans le cristal, de telle sorte que les atomes soient «vus» quasiment alignés par le faisceau électronique. Ces colonnes d’atomes sont alors observables en «vue de dessus» au moyen d’un microscope électronique à transmission. L’analyse de ces observations, dont la résolution est meilleure que la taille d’un atome, a mis en évidence un ordre de charge inattendu sur les colonnes de fer. Une analyse théorique étaye cette observation directe en présence de lacunes d’oxygène, la valence des ions titane reste stable, alors que celle du fer s’ordonne selon un axe cristallographique préférentiel, associé à l’ordre des ions titane dans la structure. Complété par les mesures magnétiques et de transport électronique, l’arrangement atomique complexe de cette structure magnétique a été révélé : des empilements de plans riches en fer portent à la fois l’ordre ferromagnétique et la valence mixte Fe²⁺/Fe³⁺ source de conduction électronique, et de plans mixtes Fe/Ti, réalisent essentiellement le couplage magnétique interplan. Cette étude ouvre une nouvelle voie vers la polarisation en spin des porteurs de charge dans les hétérostructures artificielles à base d’empilement de plans riches en fer et ceux mixtes Fe/Ti. Ces résultats sont le fruit d’une collaboration associant (i) les avancées technologiques en termes de maîtrise de la croissance d’oxydes complexes et fonctionnels par dépôt par laser pulsé sous ultravide (équipe du laboratoire GEMaC) (ii) les récents développements instrumentaux en spectro-microscopie électronique permettant aujourd’hui d’aller sonder localement la structure chimique et électronique jusqu’à l'ångström (équipes du LPS d’Orsay et du CEMES de Toulouse) et (iii) les nouveaux progrès dans le domaine des calculs numériques (calculs ab initio) afin de prédire au mieux la structure de bande de ces oxydes déficients en oxygène (Dr. M. Nolan du Tyndall National Institute du Cork University College).

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