Ferroelectric field-effects in high-tc superconducting devices

par Laura Bégon-Lours

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Javier E. Villegas et de Manuel Bibes.

Soutenue le 23-01-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Unité mixte de physique CNRS/Thalès / UMP CNRS/THALES (laboratoire) .

Le jury était composé de Kathrin Dörr, Benjamin Martinez, Abhay Shukla, Jacobo Santamaria, Hervé Aubin.

  • Titre traduit

    Effets de champs ferroelectriques dans des dispositifs à base de supraconducteurs à haute température critique


  • Résumé

    Les supraconducteurs à haute température critique (HTS) sont des systèmes fortement corrélés. Dans ces matériaux, une petite modification du nombre de porteurs peut avoir de grandes conséquences sur leurs propriétés physiques. C'est le cas lorsqu'un matériau ferroélectrique est à proximité immédiate d'un HTS : de manière locale et rémanente, la polarisation ferroélectrique modifie par effet de champ électrostatique le nombre d'électrons dans le HTS, au voisinage de l'interface avec le ferroélectrique. Cet effet peut être exploité dans le but de définir des structures à géométrie variable : dans un premier cas, des jonctions qui consistent en deux électrodes supraconductrices, séparées par une zone où la supraconductivité a été affaiblie par effet de champ. Dans un second cas, des jonctions tunnel ferroélectriques - à nouveau avec des électrodes supraconductrices - où l'épaisseur de la barrière est modulable par effet de champ ferroélectrique. Les travaux menés au cours de cette thèse visent à développer les matériaux et les technologies de lithographie pour fabriquer de telles structures, et à caractériser les propriétés de transport de ces dernières.


  • Résumé

    In this experimental thesis, we fabricated ferroelectric field-effect devices based on high-Tc superconductors. We grew high-quality epitaxial heterostructures consisting of an ultra-thin (2 to 6 unit cells) film of YBCO and a thin ferroelectric film (BFO-Mn). We fabricated transport measurement microbridges and used a CT-AFM tip to polarise the BFO-Mn outwards or towards the BFO-Mn/YBCO interface. Due to the ferroelectric field-effect, the superconducting properties of the underlying YBCO film were consequently modified. We then used this effect locally in order to design weak links within the microbridges: two regions where the superconducting properties are enhanced are separated by a narrow region where they are depressed. We explored the conditions of existence of a Josephson coupling across this weak link. In parallel, we fabricated ferroelectric junctions. The barrier is an ultra-thin BFO-Mn film sandwiched between a high-Tc superconducting YBCO bottom electrode and a low-Tc superconducting top electrode. Both at room temperature and at low temperature, we characterised the transport properties across the barrier and the resistive switching resulting from the polarisation of the ferroelectric barrier.


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