Soutenance de thèse – Dongxin Zhang

Le 19 décembre à 10h (auditorium TRT), Dongxin Zhang soutiendra sa thèse intitulée « Nouvelles voies de synthèse de couches minces de nickelates à structure infinie supraconductrices « , préparée sous la direction de Lucía Iglesias & Manuel Bibes.

Résumé : 

En 1986, la découverte de la supraconductivité à haute température (Tc) dans les cuprates a marqué une avancée majeure dans le domaine de la physique de la matière condensée. Malgré des décennies de recherches intensives, la nature non conventionnelle de la supraconductivité dans ces matériaux reste inexpliquée. En 2019, la supraconductivité a été découverte dans des nickelates à couches infinies (IL) dopés par des trous (R(1-x)BxNiO2; R = La, Pr ou Nd, B = Sr, Ca ou Eu, x = concentration du dopant), des composés structurellement analogues aux cuprates. Cette découverte a ouvert de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes à l’origine de la supraconductivité à haute température critique. La structure dite IL est constituée de plans NiO2 bidimensionnels séparés par des couches de terres rares. Pour atteindre cette phase, il faut éliminer sélectivement tous les oxygènes apicaux de la phase précurseur de pérovskite (R(1-x)BxNiO3) par un processus de réduction topotactique complexe, traditionnellement réalisé à l’aide de CaH2 comme agent réducteur.

Depuis sa découverte, les progrès dans ce domaine ont été limités par d’importants défis en matière de synthèse. La production de films supraconducteurs de nickelate IL de haute qualité reste techniquement difficile, avec un faible taux de réussite, seuls quelques laboratoires dans le monde l’ont réalisée. De plus, les films obtenus manquent souvent de cristallinité en surface, ce qui empêche l’utilisation de techniques sensibles à la surface telles que la microscopie à effet tunnel (STM) ou la spectroscopie photoélectronique résolue en angle (ARPES). Deux stratégies de réduction alternatives ont été proposées pour surmonter ces difficultés : le dépôt in situ d’une fine couche d’aluminium (Al) par épitaxie par faisceau moléculaire et l’hydrogène atomique in situ. Bien que prometteuses, ces méthodes restent complexes ou spatialement limitées, freinant leur adoption à grande échelle et le développement de dispositifs. Cela montre le besoin de méthodes de réduction simples et ajustables spatialement.

Dans cette thèse, nous avons développé et étudié deux approches alternatives pour surmonter ces défis. La première méthode utilise le dépôt ex situ (après exposition à l’air) et in situ d’une couche d’aluminium par pulvérisation magnétron, ce qui permet de fabriquer des films supraconducteurs de haute qualité en Pr0.8Sr0.2NiO2 avec une température critique maximale Tc (onset) ~ 17.2 K, comparable à l’état de l’art pour ce composé. Nous avons comparé systématiquement les échantillons réduits ex situ et in situ, en étudiant en profondeur leurs propriétés de transport et leurs propriétés supraconductrices, y compris la dépendance au champ magnétique, le courant critique et la profondeur de pénétration. Le développement de cette méthode de réduction assistée par l’aluminium nous a permis de commencer à explorer la physique sous-jacente à la supraconductivité dans les nickelates, en effectuant des mesures ARPES préliminaires de la structure électronique et en lançant la fabrication et la caractérisation de jonctions planes.
En parallèle, nous avons exploré une deuxième méthode basée sur le champ électrique généré par une pointe conductrice de microscopie à force atomique (AFM) pour induire une réduction topotactique localisée des films de pérovskite. Des expériences préliminaires démontrent la faisabilité de cette méthode, qui permet un contrôle spatial précis de la formation de régions supraconductrices et ouvre de nouvelles possibilités pour l’étude des phénomènes liés aux dispositifs à l’échelle nanométrique.

Ensemble, ces deux approches alternatives, nettement plus accessibles que les méthodes existantes, visent à améliorer la reproductibilité et à permettre un contrôle spatial du processus de réduction, réduisant ainsi les obstacles à une exploration plus large des nickelates supraconducteurs.