Localisation et corrélations électroniques en deux dimensions dans des nouvelles phases dérivées de 1T-VS2

Localization and electronic correlations in two dimensions of new 1T-VS2 derived phases

• Auteur / Autrice : Hicham Moutaabbid
• Direction : Andrea Gauzzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/09/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Chanéac, Claudia Pascanut Decorse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Cario, Alfonso San Miguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sulfures métalliques

Métaux de transition

Kondo, Effet

Liquides de Fermi

Mots clés libres

Sulfures lamellaires de métal de transition

Dopage électronique

Effet de dimensionnalité

Transition Mott-Anderson

Corrélations électroniques

1T-VS2

Anderson localization

Fermi liquid

Résumé

Cette thèse vise à étudier la stabilité des phases métalliques et isolantes en compétition dans les systèmes 2D 1T-VS2 et composés dérivés, Cu⅔V⅓V2S4 et Sr3V5S11. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé et optimisé des voies ad hoc de synthèse à hautes pressions pour stabiliser les nouvelles phases sous forme de monocristal de haute qualité, qui nous permettrait d’étudier les propriétés électroniques et de transport. Un important résultat de notre étude est le contrôle de la concentration, x, des atomes interstitiels V situés entre les plans adjacents VS2 dans le système V1+xS2, qui est obtenu en variant la pression de synthèse. Cela nous a permis d’explorer le diagramme de phase T-x du système. Le résultat principal de cette étude est que la phase CDW observée dans la phase stoichiométrique (x = 0) disparait rapidement avec x, alors que les propriétés métalliques sont augmentées. Dans Cu⅔V⅓V2S4, la substitution partielle du V par Cu dans le site interstitiel change complètement le système en un fermion semi-lourd aux caractéristiques prononcées du liquide de Fermi jusqu’à ~ 20 K, où la transition de Kondo apparait. Ce phénomène inattendu dans les sulfures suggère que la force des corrélations électroniques dans ces composés peut être pilotée en variant simplement la nature chimique et la concentration de l’atome intercalé. La force modérée des corrélations dans Cu⅔V⅓V2S4 ouvre le chemin vers une description théorique fiable de la disparition du régime de liquide de Fermi. Les corrélations électroniques apparaissent importantes aussi pour piloter une phase isolante dans Sr3V5S11, qui devrait être un métal d’après la théorie conventionnelle de bande. Dans ce cas, les corrélations peuvent être augmentées par la dimensionnalité réduite créée par un large écartement des couches VS2 et par une modulation structurale 1D des couches. Des études supplémentaires pourront clarifier s’il s’agit d’un mécanisme d’Anderson de faible localisation qui contribue à la stabilisation d’un état isolant dans les plans pristine métalliques VS2.

This thesis work aims at studying the stability of the metallic and insulating phases that compete in the two-dimensional 1T-VS2 system and related compounds, Cu⅔V⅓V2S4, and Sr3V5S11. We have developed and optimized ad hoc high-pressure synthesis routes in order to stabilize the above novel phases in the form of high-quality single crystals, which enabled us to reliably investigate their electronic and transport properties. An important achievement of our study is the control of the concentration, x, of interstitial V atoms located between adjacent VS2 planes in the V1+xS2 system, which is obtained by varying synthesis pressure. This has enabled us to explore the T-x phase diagram of the system. The main result of this study is that the CDW phase observed in the stoichiometric (x=0) phase quickly disappears with x, whilst the metallic properties are enhanced. In Cu⅔V⅓V2S4, the partial substitution of V for Cu in the interstitial site is found to completely change the system into a semi-heavy fermion with pronounced Fermi-liquid characteristics down to ~20 K, where a Kondo transition occurs. These unexpected phenomena in sulfides suggest that the strength of the electronic correlations in these compounds can be tuned by simply varying the chemical nature and concentration of the intercalant atom. The moderate strength of the correlations in Cu⅔V⅓V2S4 opens the way towards a reliable theoretical description of the breakdown of the Fermi liquid regime. Electronic correlations appear to be important also to drive an insulating phase in Sr3V5S11, which should be a metal within a conventional band picture. In this case, the correlations may be enhanced by the reduced dimensionality caused by a large spacing between VS2 layers and by a 1D structural modulation of the layers. Further studies may clarify whether the Anderson’s mechanism of weak localization contributes to the stabilization of an insulating state in the pristine metallic VS2 planes.