Une étude menée par des chercheurs australiens a révélé un comportement isolant inhabituel dans un nouveau matériau atomiquement mince, ainsi que la capacité de l’activer et de le désactiver à volonté. Cette découverte ouvre la voie à de nouvelles applications prometteuses dans le domaine de l’électronique, notamment pour la conception de transistors innovants.
Un isolant de Mott dans un matériau atomiquement mince
Les matériaux présentant de fortes interactions entre électrons peuvent afficher des propriétés inhabituelles, comme la capacité à agir en tant qu’isolants même lorsqu’ils sont censés conduire l’électricité. Ces isolants, appelés isolants de Mott, se produisent lorsque les électrons deviennent figés en raison de la forte répulsion qu’ils ressentent de la part des autres électrons à proximité, les empêchant ainsi de transporter un courant.
L’étude dirigée par FLEET à l’Université Monash, publiée cette semaine dans la revue Nature Communications, a démontré l’existence d’une phase isolante de Mott au sein d’une structure métal-organique (MOF) atomiquement mince, ainsi que la possibilité de passer de manière contrôlée de l’état isolant à l’état conducteur de ce matériau.
Une géométrie en forme d’étoile pour renforcer les interactions
Le matériau au cœur de l’étude est un type de MOF, une classe de matériaux composés de molécules organiques et d’atomes métalliques. Grâce à la versatilité des approches de chimie supramoléculaire, en particulier appliquées sur des surfaces comme substrats, il existe un nombre presque infini de combinaisons pour construire des matériaux à partir de zéro, avec une précision à l’échelle atomique.
La propriété sur mesure importante du MOF dans cette étude est sa géométrie en forme d’étoile, connue sous le nom de structure kagome. Cette géométrie renforce l’influence des interactions électron-électron, conduisant directement à la réalisation d’un isolant de Mott.
Un interrupteur marche-arrêt basé sur la population d’électrons
Les auteurs ont construit le MOF kagome en forme d’étoile à partir d’une combinaison d’atomes de cuivre et de molécules de 9,10-dicyanoanthracène (DCA). Ils ont fait croître le matériau sur un autre matériau isolant atomiquement mince, le nitrure de bore hexagonal (hBN), sur une surface de cuivre atomiquement plane, Cu(111).
En mesurant les propriétés structurelles et électroniques du MOF à l’échelle atomique à l’aide de la microscopie et de la spectroscopie à effet tunnel, les chercheurs ont pu observer un gap énergétique inattendu, caractéristique d’un isolant. Des calculs théoriques ont confirmé que ce gap était la signature d’une phase isolante de Mott.
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Les auteurs ont également pu modifier la population d’électrons dans le MOF en utilisant des variations de l’environnement chimique du substrat hBN et du champ électrique sous la pointe du microscope à effet tunnel. Lorsque certains électrons sont retirés du MOF, la répulsion ressentie par les électrons restants est réduite et ils deviennent dégelés, permettant au matériau de se comporter comme un métal. Cette transition de phase contrôlable entre isolant de Mott et métal a été observée expérimentalement.
Perspectives d’applications et de recherches futures
La capacité de ce MOF à passer d’une phase isolante de Mott à une phase métallique en modifiant la population d’électrons est un résultat prometteur qui pourrait être exploité dans de nouveaux types de dispositifs électroniques, comme les transistors. Une prochaine étape encourageante vers de telles applications serait de reproduire ces résultats dans une structure de dispositif où un champ électrique est appliqué uniformément sur l’ensemble du matériau.
L’observation d’un isolant de Mott dans un MOF facile à synthétiser et contenant des éléments abondants rend également ces matériaux attrayants pour de futures études sur les phénomènes de forte corrélation, potentiellement la supraconductivité, le magnétisme ou les liquides de spin.
Légende illustration : L’auteur principal, le Dr Benjamin Lowe, travaille actuellement à l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences. Crédit: FLEET
Article : « Local gate control of Mott metal-insulator transition in a 2D metal-organic framework »- DOI: 10.1038/s41467-024-47766-8
