Mott memories
Mémoires de Mott : étude du matériau candidat GaV4S8
Résumé
Mott insulators are systems that according to band theory should be conductors, but in reality are found to be insulators because of the strong electronic correlations. However, the metallic state can be induced by the application of pressure or an electric field. In some of these systems, a relatively weak electric field pulse has been shown to control the insulator to metal transition: this is called resistive switching. The possibility of switching in Mott insulators is of great interest to realize a new type of resistive memories (ReRAM), called Mott memories. Unlike other types of ReRAM, where the conductive filament created during switching is caused by ion migration, the filament formation mechanism in Mott insulators is of purely electronic origin, which could solve the major problem of ReRAM which is variability. Switching in Mott insulators is probably due to an electronic avalanche breakdown phenomenon, but the mechanism of filament formation is not yet understood. By analogy with the metallic state induced under pressure, one possible hypothesis is a local compressive effect of the material.In this thesis we study the GaV4S8 compound, a narrow gap Mott insulator of the AM4X8 lacunar spinel family in which the switching phenomenon has already been demonstrated and which is a good model system to advance the understanding of the phenomenon and try to determine if Mott memories actually have an advantage over other ReRAMs. We present several instrumental developments where we have adapted existing pressure measurement techniques to the study of insulators. We have performed measurements of ac calorimetry, capacitance or dielectric constant, loss, resistivity and ac magnetic susceptibility in a diamond anvil cell with an in-situ pressure tuning system that can be used over a wide temperature range. This enables us to present a complete study of the temperature - pressure phase diagram in GaV4S8, highlighting the transition to the metallic state at around 14 GPa and the evolution of the Mott gap with pressure. This compound also presents a very rich phase diagram with temperature and magnetic field with a ferroelectric Jahn-Teller structural transition at 43 K then a magnetic transition at 12.7 K towards a cycloidal phase then a ferromagnetic phase at lower temperature and towards a skyrmionic phase of the type Néel under magnetic field. Our study under pressure allowed us to follow these different transitions and the evolution of the different phases with pressure.Evaluating a material's performance for applications involves well-defined test protocols. In general this involves the long and costly process of the production of thin layers, then of test devices. We explored the feasibility of using lithography techniques on single crystals that would make it much easier to perform such tests to explore new materials. We present numerical simulations which show that it is possible in principle to define geometries on single crystals which would have characteristics close to thin film devices. We then present the different steps carried out to obtain such devices and the difficulties encountered.Finally, we present an original study of the switching phenomenon by combining the two parameters that induce the metallic state: pressure and electric field. We show that the threshold electric field necessary to induce a volatile transition changes little with the pressure while the Mott gap decreases sharply. We discuss the implications of these results to better understand the formation of the metallic state in this system.
Les isolants de Mott sont des systèmes qui d’après la théorie des bandes, devraient être conducteurs, mais en réalité se trouvent isolants à cause des fortes corrélations électroniques. Cependant l'état métallique peut être induit par l'application de pression ou de champ électrique. Dans certains de ces systèmes, il a été montré qu'un pulse de champ électrique relativement faible contrôle la transition isolant-métal: c’est ce qu’on appelle le switching résistif. La possibilité de switching dans les isolants de Mott a un fort intérêt pour la réalisation d’un nouveau type de mémoires résistives (ReRAM), les mémoires de Mott. Contrairement aux autres types de ReRAM, où le filament conducteur créé lors du switching est causé par la migration d’ions, le mécanisme de formation du filament dans les isolants de Mott est d’origine purement électronique ce qui pourrait résoudre le problème majeur des ReRAM qui est la variabilité. Le switching dans les isolants de Mott est probablement dû à un phénomène d’avalanche électronique mais le mécanisme de formation du filament n’est pas encore compris. Par analogie avec l’état métallique induit sous pression, une hypothèse possible est un effet de compression local du matériau.Dans cette thèse nous avons entrepris l’étude de GaV4S8, un isolant de Mott à faible gap de la famille des spinelles lacunaires AM4X8 dans lequel le phénomène de switching a déjà été mis en évidence et qui est un bon système modèle pour avancer la compréhension du phénomène et essayer de déterminer si les mémoires de Mott présentent effectivement un avantage par rapport aux autres ReRAM. Nous présentons plusieurs développements instrumentaux pour adapter les techniques de mesure sous pression existantes à l’étude des isolants. Nous avons fait des mesures de calorimétrie ac, de capacitance ou constante diélectrique, de pertes, de résistivité et de susceptibilité magnétique ac dans une cellule à enclumes diamant avec un système d’application de pression in-situ utilisable sur une grande gamme de température. Grâce à cela nous présentons une étude complète de son diagramme de phase en pression et température, mettant en évidence la transition vers l’état métallique vers 14GPa et permettant de déterminer l’évolution du gap de Mott avec la pression. Ce composé présente aussi un diagramme de phases très riche en température et champ magnétique avec une transition structurale Jahn-Teller ferroélectrique à 43 K puis une transition magnétique à 12.7 K vers une phase cycloïdale puis ferromagnétique à plus basse température et vers une phase skyrmionique de type Néel sous champ magnétique. Notre étude sous pression nous a permis de suivre ces différentes transitions et l’évolution des différentes phases avec la pression.L’évaluation des performances d’un matériau en vue des applications implique des protocoles de tests bien définis. En général cela passe par la réalisation de couches minces, puis de dispositifs test, ce qui est très lourd. Nous avons exploré la faisabilité de réaliser des dispositifs lithographiés sur des monocristaux qui permettraient de réaliser beaucoup plus facilement de tels tests dans le cadre de l’exploration de nouveaux matériaux. Nous présentons des simulations numériques qui montrent qu’il est possible en principe de définir des géométries sur monocristaux qui auraient des caractéristiques proches des dispositifs couche mince. Nous présentons ensuite les différentes étapes réalisées pour obtenir de tels dispositifs et les difficultés rencontrées.Enfin nous présentons une étude originale pour étudier le phénomène de switching en combinant les deux paramètres qui induisent l’état métallique : pression et champ électrique. Nous montrons que le champ électrique seuil nécessaire pour induire une transition volatile change peu avec la pression alors que le gap de Mott diminue fortement. Nous discutons les implications de ces résultats pour mieux comprendre la formation de l’état métallique dans ce système.
Origine : Version validée par le jury (STAR)