The effects of electric field, illumination and their interplay on the transport properties of cuprate superconductor thin films and heterostructures
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Transition metal oxides (TMO) are a class of materials characterized by a dense phase diagram which arises from their interlinked degrees of freedom leading to various competing ground states. The main ingredient of this work is a cuprate YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO) widely studied for its dome-like superconducting phase. Various studies have shown that the properties of cuprates can be altered by applying an electric field or light. We have thus investigated the interplay between the effects of electric field and light on TMOs based heterostructures. We first studied the effects of light on underdoped YBCO thin films. We have observed a persistent increase in its superconducting transition temperature as well as a decrease of its resistivity. A correlation between these changes and the changes in the carrier mobility has been established. Second, we covered the effects of electric field induced resistive switching observed in vertical junctions composed of YBCO and the alloy MoSi.By applying a voltage pulse, we have observed a persistent, fast and reversible switch in resistance. This effect has been attributed to a reversible electrochemical reaction occurring at the interface. Finally, by switching the opaque MoSi with a transparent electrode ITO, we have managed to investigate the interplay between electric field and light on the transport properties of these junctions. We have observed a photovoltaic effect (PVE) under visible light as well as a history-dependent persistent change of the resistive state of the junction. The PVE has been linked to standard photovoltaic effect observed in a pn junctions and the persistent changes to a light-induced electrochemical reaction. As an outlook, we covered the investigation of electric field induced resistive switching in nickelate based heterostructures. A similar effect to the one described previously has been observed. These effects might be exploited for neuromorphic applications as potential memristive devices.
Abstract FR:
Les cuprates sont un exemple d’oxydes de métaux de transition caractérisé par une phase de supraconductivité à haute température critique. Il est possible de modifier leur état fondamental grâce à l’application de stimulus externe. L’objectif de cette thèse est d’étudier les interactions entre les effets de champ et de lumière sur des hétérostructures de cuprates. Premièrement nous avons étudié les effets de photo-dopage sur des films minces d’YBCO sous-dopé. Apres l’illumination par de la lumière nous observons une augmentation persistante de la température critique du film et une diminution de sa résistivité. Ces changements sont corrélés à un changement de la mobilité des porteurs de charge. Nous avons ensuite étudié le phénomène de « resistive switching » qui relate un changement de la résistance d’une jonction composée d’YBCO et d’un métal MoSi après l’application d’un champ électrique. Cet effet est expliqué grâce à une réaction d'oxydoréduction qui a lieu à l’interface entre les deux électrodes. Enfin, nous décrivons l’interaction entre les effets d’un champ électrique et les effets de lumière sur des jonctions composées de YBCO et d’un métal transparent, l’ITO. Sous l’action d’un champ électrique nous notons un effet de « resistive switching ». De plus, et après illumination, nous avons mesuré un effet photovoltaïque et un changement persistant de la résistance de la jonction, qui dépend de son historique. Le photo-voltage observé est dû à un effet photovoltaïque observé dans des jonctions pn. En revanche, les effets persistants sont interprétés grâce à une réaction d'oxydoréduction causée par lumière. Nous concluons cette thèse par des travaux de « resistive switching » sur des jonctions comprenant des nickélates qui sont similaires à celles des jonctions à base de cuprate. Ceci est particulièrement intéressant pour des applications en tant que memristors dans le domaine du neuromorphisme.