Electronic structure across the phase transitions of correlated oxides VO₂ and V₂O₃ imaged by ARPES

Structure électronique lors des transitions de phase des oxydes corrélés VO₂ et V₂O₃ imagée par ARPES La transition métal-isolant (TMI), observée dans de nombreux oxydes de métaux de transition, est un phénomène qui intrigue depuis longtemps. En effet, selon la théorie des bandes de la mécanique quantique, le remplissage partiel ou total de la plus haute bande d'un matériau dicte de manière unique son comportement métallique ou isolant. Par exemple, les oxydes de vanadium tels que V₂O₃ et VO₂ devraient se comporter comme des métaux quelle que soit la température, car la configuration électronique des atomes de vanadium dans ces composés varie de 3d1 à 3d2, leur bande d'énergie la plus élevée n'étant donc que partiellement remplie. Cependant, les mesures de résistivité montrent que, bien que ces matériaux soient métalliques à des températures supérieures à T-TMI (entre 160K et 340K), ils présentent tous une TMI de premier ordre en dessous de T-TMI, accompagnée de transitions magnétiques et/ou structurelles. En outre, la TMI est d'un intérêt capital pour de nombreuses applications, telles que les revêtements de fenêtres intelligents, les dispositifs de commutation électrique, la commutation optique ultrarapide, les modulateurs optiques, les transistors à effet de champ, etc. Ainsi, la compréhension des processus microscopiques responsables de la TMI dans ces matériaux reste l'un des principaux problèmes fondamentaux et appliqués de la physique de la matière condensée. La TMI dans les vanadates est en partie due à la nature spatialement étroite des orbitales 3d du vanadium, responsables de fortes interactions de Coulomb électron-électron qui, au-delà d'un certain seuil, entraînent la localisation des électrons, rendant l'ensemble du système isolant. Cette ‘TMI de Mott' est supposée décrire la physique du V₂O₃, mais n'explique pas entièrement celle du VO₂. Dans ce dernier composé, la transition d'une structure cristalline rutile au-dessus de T-TMI à une structure monoclinique à basse température entraîne le doublement de la cellule primitive du réseau le long de l'axe c - ou, de manière équivalente, la réduction de moitié de la zone de Brillouin. Un tel changement de périodicité affecte directement la structure de bande du matériau et ouvre un gap au niveau de Fermi, induisant une transition de « Peierls » de métal à isolant. Au cours des 60 dernières années, la spectroscopie infrarouge, les rayons X, la microscopie à sonde Kelvin et les mesures de photoémission, ainsi que les calculs DMFT, ont permis de mieux comprendre et de démêler les contributions des interactions électron-électron et électron-réseau dans TMI du VO₂. Cependant, des mesures détaillées de photoémission à travers la transition manquaient encore. Ainsi, la thèse présente une étude complète de la structure électronique de couches minces de VO₂ en utilisant la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) à travers la TMI pilotée par température, tout en mettant en lumière un nouveau type de TMI piloté par le dopage électronique ainsi qu'une transition pilotée par l'épaisseur des couches minces. Les résultats soulignent l'importance des corrélations dans la TMI du VO₂ en montrant une TMI dans un état métallique dopé en électrons tout en restant dans la phase monoclinique à basse température, ce qui laisse entrevoir une TMI pilotée par les corrélations mais induite par Peierls dans le VO₂ pur. De plus, ce travail détaille la structure de bande résolue en angle des deux états qui composent la bande de conduction : d// et pi*. En outre, la thèse présente une étude de la structure de bande de couches minces de V₂O₃ dont l'orientation de la surface contient le vecteur antiferromagnétique et, à ce titre, clarifie les contributions des corrélations et de la transition structurelle par rapport à celles du repliement antiferromagnétique.