Contrôle et manipulation de différentes phases d’onde de densité de charge dans VTe2

Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) présentent une grande variété de structures électroniques exotiques telles que la supraconductivité, les isolants de Mott ou les ondes de densité de charge (ODC). Contrairement aux systèmes unidimensionnels dans lesquels les ODCs sont typiquement des manifestations de la distorsion de Peierls (un réarrangement de la structure atomique périodique 1D, plus favorable à l’énergie des électrons de conduction), la caractérisation des ODCs dans les matériaux 2D et 3D demeure un problème complexe, le phénomène étant souvent piloté par un couplage électron-phonon dépendant de paramètres complexes du matériau ou des caractéristiques des paires électron-trou. Dans ces matériaux, les ODCs correspondent à des déplacements atomiques qui favorisent une modulation de la densité électronique. En outre dans les situations de coexistence de multiples phases ODC (chaque phase correspondant à un réarrangement atomique particulier qui trouve son origine dans un mode de phonons particulier), les paramètres présidant au contrôle et aux manipulations permettant de transiter entre ces différentes phases ont été peu étudiés. 

Des physiciennes et physiciens du laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (MPQ, CNRS / Université Paris Cité), du Service de physique de l’état condensé (SPEC, CNRS / CEA / Université Paris-Saclay), et du Département de Physique de l’Université Nationale de Taiwan (NTU) ont récemment imagé avec un microscope à effet tunnel (STM) sous ultravide différents domaines de tailles variables de l’ordre de 10 nm, d’une monocouche de 1T-VTe₂, un matériau qui présente cette coexistence de phases. Pour des raisons de symétrie, il existe 3 phases d’ODC (4×1) (4×1 signifiant que les atomes se rassemblent en nouvelle cellule comportant 4 atomes dans une direction et 1 atomes dans une autre, un peu comme une reconstruction de surface), labellées (4×1)_α, (4×1)_β et (4×1)_γ sur la figure, et dont les orientations correspondent aux trois directions de symétrie du réseau hexagonal bidimensionnel. Les chercheurs et chercheuses ont observé que ces phases (4×1) sont translatées d’une rangée atomique par rapport à celle du domaine voisin. À l’aide d’impulsions électriques peu énergétiques (correspondant à des tensions de l’ordre de 1.0 V) par le biais de la pointe STM, ils ont pu faire basculer une phase ODC vers une autre phase, en particulier d’une phase (4×1) vers une phase (4×4), ou entre deux phases (4×1) tournées ou translatées l’une par rapport à l’autre. Ce travail expérimental, associé à des calculs de fonctionnelle de la densité pour faire le lien entre les structures et les images STM correspondantes, ouvre des perspectives prometteuses pour envisager une manipulation facile des phases ODC et des applications en nanoélectronique. Il est publié dans la revue Nano Letters.

Figure : (gauche) Images STM calculées de 9.3 × 5.4 nm2 pour les phases ODC de VTe2 (4×1)γ, (4×1)α, (4×4) et (4×1)γ déplacée d’une rangée atomique. (droite) Graphique des barrières de potentiel de transition entre ces différentes phases, calculées en DFT. Sur ce graphe on peut voir l’evolution de l’énergie pour passer de la configuration initiale (n°1) à la configuration finale (n°5) en passant par des configurations intermédiaires (n°2 a 4) définies par le calcul pour minimiser la barrière d’énergie à franchir par le système pour transiter.