Soutenance de thèse de David Santos-Cottin - 8 avril 2015 à 10 h

IMPMC, Université P. et M. Curie, 4, Place Jussieu, 75005 Paris

Salle de conférence, 4^e étage, Tour 22-23, Salle

Propriétés électronique et de transport du semi-métal quasi-2D BaNiS₂

Résumé

Dans le but de clarifier le mécanisme de la transition métal-isolant (MIT) pilotée par le dopage électronique x nous avons réalisé une étude expérimentale des propriétés structurales, électroniques et de transport du système quasi-2D BaCo₁−xNixS₂.
Pour mener à bien cette étude, nous avons tout d’abord optimisé la croissance de monocristaux pour des taux de substitution allant de x=0 à 1. Cela a permis de synthétiser de manière reproductible des monocristaux non lacunaires en soufre, de taille millimétrique et de haute qualité. L’analyse structurale de ces cristaux a permis d’établir une relation précise entre les distances métal-soufre apical et planaire et le taux de substitution x.
Le travail a ensuite été focalisé sur les propriétés électroniques de BaNiS2, la phase métallique précurseur de la MIT. Une comparaison des bandes expérimentales mesurées par photoémission résolue en angle (ARPES) avec des calculs ab initio dans l’approximation DFT + U révèle des effets notables des corrélations électroniques et des effets relativistes inattendus sur la structure de bandes. Nous avons clairement observé une levée de dégénérescence des bandes à Γ et à X due à un couplage spin-orbite et Rashba, respectivement.
L’analyse des données suggère une structure électronique plus bi-dimensionnelle que celle prévu par le calcul. Ces résultats suggèrent un modèle de semi-métal compensé qui permet d’expliquer les propriétés de magnéto-transport que nous avons mesuré. Ce modèle prévoit trois voies de conduction : (i) des trous (h1) et (ii) des électrons (e1) largement majoritaires avec des mobilités modérées ainsi que (iii) des trous (h2) minoritaires de très haute mobilité. L’analyse des mesures d’oscillations quantiques de la résistivité (Shubnikov-de Haas) et de l’aimantation (de Haas-van Alphen) a fourni une indication supplémentaire sur la topologie de la surface de Fermi ainsi que sur la masse effective et le temps de vie des quasi-particules. L’ensemble de ces résultats permet de conclure que la surface de Fermi est composée d’une unique nappe d’électrons en forme de cylindre gondolé suivant l’axe Γ(Z) et d’une poche de trous positionnée à mi-distance suivant ΓM (ZA) en forme d’une "flute de champagne" avec une dispersion conique (point de Dirac) à kz =0 qui implique une masse effective très faible et donc une haute mobilité.
En conclusion, ce travail de thèse propose une description cohérente et complète des propriétés électroniques et de transport de BaNiS2. Le désaccord entre l’expérience et les calculs DFT est attribué aux effets des corrélations électroniques qui ne sont pas traitées de manière satisfaisante par l’approximation des électrons indépendants. De plus, l’existence d’un couplage spin-orbite et Rashba beaucoup plus importants que prévus suggèrent des propriétés topologiques non conventionnelles dans le système BaCo₁−xNixS₂.

Mots-clés

Transition de Mott, oscillations quantiques, ARPES, magnéto-transport, corrélations électroniques, synthèses

Abstract

In order to elucidate the mechanism of the metal-insulator transition (MIT) driven by doping x in the quasi two-dimensional BaCo1−xNixS2 system, in this Thesis we have carried out a systematic investigation of the structural, electronic and transport properties of high-quality BaCo1−xNixS2 single crystals with different substitution levels x in the 0-1 range. This study has first required an optimization of the synthesis conditions of the crystals grown by means of the flux technique.
We have first carried out a comprehensive structural study of the optimized crystals by means of X-ray diffraction has unveiled that, upon doping, the position of the Co/Ni ion in pyramidal coordination with one apical sulphur atom and four planar sulphur atoms progressively moves towards the latter atoms. As a result, in the metallic phase for x ≥ xcr =0.22, carrier conduction is favored in the ab-plane and the metal-sulphur bond lengths become more isotropic.
The main results of the Thesis work concern BaNiS2, the metallic phase precursor of the MIT. On this phase, we have successfully establish precisely the band dispersion by angleresolved photoemission spectroscopy (ARPES). This experimental data was compared with accurate ab initio calculations within the Density Functional Theory (DFT) that include a Hubbard repulsion term, U, and the spin-orbit coupling. We have found an excellent agreement between experimental data and calculations for U=3 eV. The data also show a very large spin-orbit splitting ≈ 50 meV at Γ and Z, which is unexpected in a 3d metal compound, where one order of magnitude smaller values are typically observed.
The above calculations give a precise account of this observation, which is explained by the large out-of-plane dipolar field created by the apical sulphur. In agreement with the nonsymmorphic symmetry of the crystal structure, this picture is supported by the prediction of a large Rashba band splitting along X −M that might be observed in slightly electrondoped samples.
Quantum oscillation measurements of the resistivity (Shubnikov-de Haas) and of the magnetization (de Haas-van Alphen) provide further information on the electronic structure, in agreement with the previous ARPES data. Our results reveals the existence of an electron-like 2D pocket centered along ΓZ and a quasi-2D hole-like pocket located between Γ and M. This second pocket displays a conical dispersion at kz =0 (Dirac point).
By employing the above model of Fermi surface, a third study of the magnetotransport properties of the BaNiS2 single crystals has enabled us to develop a transport model of compensated metal with three types of carriers : majority holes (h1) and majority electrons (e1) with a moderate mobility and minority holes (p2) with a high mobility. The latter characteristics is explained by the large band dispersion at the Dirac point.
In conclusion, the results obtained from the three complementary studies of the electronic and transport properties object of this Thesis provide a consistent and complete
description of BaNiS₂. The experimental observation of pronounced two-dimensional properties, not explained by the calculations, reflect the limitations of the DFT in presence of electronic correlations. The large spin-orbit coupling observed experimentally and the prediction of a large Rashba effect caused by the non symmorphic symmetry open new interesting possibilities for the realization of topological phases in bulk systems.

Keywords

Mott transition, quantum oscillations, ARPES, magneto-transport, electronic correlations, crystal growth

Composition du jury

PAUTRAT Alain, Chargé de recherche, ENSICAEN-Laboratoire CRISMAT, Rapporteur
FORRÒ Laszlò, Professeur, EPFL-MPMC, Rapporteur
MARSI Marino, Professeur, Université paris-sud-LPS, Examinateur
FEVE Gwendal, Professeur, UPMC-LPA, Examinateur
KLEIN Yannick, Maître de Conférence, UPMC-IMPMC, Co-directeur de thèse
GAUZZI Andrea, Professeur, UPMC-IMPMC, Directeur de thèse (Invité)