Structure électronique et modélisation atomistique
logo_tutelle logo_tutelle 

Plusieurs équipes de l'IRAMIS sont impliqués dans les calculs de structure électronique (ab-initio, liaisons-fortes, Hückel etc..) et plus généralement dans la modélisation de la matière à l'échelle atomique, ce qui inclut également l'utilisation de méthodes plus phénoménologiques (potentiels empiriques, Hamiltoniens modèles, etc..)

Ces outils de modélisation sont principalement développés et utilisés en physique (spectroscopie, transport, magnétisme), chimie (réactivité, dynamique) et pour l'étude des matériaux (diffusion, croissance, défauts).

L'équipe de "Spectroscopie théorique" implantée au LSI - Laboratoire des Solides Irradiés (Contact Lucia Reining) fait partie du coeur de la structure de l'ETSF  (European Theoretical Spectroscopy Facility).

La thématique "Structure électronique et modélisation atomistique" au sein du SPEC/GMT (contact : Cyrille Barreteau) rassemble 4 axes de recherche :

  • Structure et dynamique
  • Chimie quantique
  • Spectroscopie
  • Transport , magnétisme et corrélations
 

 

 
#1192 - Màj : 29/08/2019
Faits marquants

La génération d’ions moléculaires est à la base de nombreuses méthodes d'analyse, comme le SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy), le MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation) ou le FIB (Focused Ion Beam). Au-delà des principes élémentaires de ces techniques, les phénomènes de double ionisation ou de fragmentation des ions formés doivent être mieux compris pour une meilleure interprétation des résultats de ces méthodes analyses.

Le CIMAP, le GPM de Rouen et le MPIE de Düsseldorf ont mis en commun leurs compétences pour analyser la stabilité d’ions doublement chargés : les dications. Leurs temps de vie ont été analysés en combinant des mesures de sonde atomique tomographique (SAT) et des simulations multi-techniques basées sur des calculs ab initio.

 

L'irruption du graphène au mitan des années 2000 a mis en lumière la physique des matériaux bi-dimensionnels, c'est à dire atomiquement minces. Plus tard, sont venus s'ajouter au graphène, les dichalcogénures de métaux de transition, le phosphore noir ou le nitrure de bore hexagonal (h-BN), qui sont aujourd'hui des sujets d'étude privilégiés du fait notamment de leurs propriétés optiques nouvelles (à la différence du graphène, ces matériaux sont des semi-conducteurs). Les excitons, qui sont des quasiparticules combinées (un électron dans la bande de conduction, BC, associé à un trou dans celle de valence, BV) et dont les états se situent dans le gap, sont exacerbés dans ces matériaux du fait de la géométrie bidimensionnelle. Ils se situent dans une gamme de 0.1 à 1 eV sous la BC.

Le site WEB du projet COSMICS.

L'équipe SPEC/GMT du CEA coordonne le projet européen H2020 Fet-Open "Cosmics" (Concepts and tools in molecular spintronics) dont la réunion de lancement s'est tenue les 27 et 28 novembre 2017. Issu d’un appel d’offres très sélectif, ce projet porte sur la recherche de nouveaux dispositifs hybrides, associant molécules et électrodes magnétiques métalliques, qui pourra enrichir la conception de composants électroniques miniaturisés.

Il est montré que la manipulation d’un atome et d’une molécule à l’aide d’un microscope à effet tunnel permet la construction d’un nano-objet sur une surface, dont les propriétés électroniques sont modulables en fonction de la position relative de ses deux composants.

Cette étude illustre les multiples potentialités d'une chimie de piègeage (Trapping chemistry), permettant de moduler les propriétés mécaniques et réactives des molécules, par une maitrise fine des transferts de charge au sein du nano-objet constitué.

Dans une cellule photovoltaïque, l'absorption de la lumière excite les électrons à assez haute énergie, de l’ordre d’un électronvolt au-dessus du bas de la bande de conduction d’un semiconducteur. La relaxation de ces "porteurs chauds" est le principal phénomène limitant les performances de ces cellules, ainsi que de nombreux autres capteurs photo-électroniques.

Le premier processus de diffusion inélastique subis par les électrons chauds est le transfert d’énergie vers les vibrations du réseau (phonons). Comprendre cette dynamique de relaxation électronique, en particulier le rôle du couplage électron-phonon, est un enjeu majeur pour proposer les matériaux les plus performants pour les dispositifs photovoltaïques. Le travail collaboratif entre les théoriciens du LSI, de l’IMPMC, de l’université de Rome, et les expérimentateurs de l’Université d’Osaka, Japon, a permis de mettre en évidence dans le composé GaAs, deux régimes de relaxation distincts, entièrement dus à l’interaction électron-phonon. Ce résultat a pu être obtenu grâce à une méthode de calcul ab initio très avancée, développée récemment par les chercheurs du LSI en collaboration avec l’IMPMC. Les concepts élaborés dans ce travail faciliteront la description de la dynamique de relaxation des porteurs chauds dans des nombreux matériaux semiconducteurs.

Des physiciens viennent de montrer qu’en connectant un fil moléculaire conducteur à une électrode de graphène, il est possible de réduire de manière importante l’atténuation du courant électrique à la jonction entre la molécule et l’électrode.

 

En utilisant des molécules comme composants élémentaires, le domaine de l’électronique moléculaire met directement à profit les propriétés quantiques des molécules. La synthèse chimique permet alors d’ajuster ces propriétés et d’élaborer des architectures variées. Toutefois, à cette échelle et dans ces nouveaux composants, la circulation du courant électrique est bien moins aisée que dans les conducteurs métalliques ou semi-conducteurs : une jonction moléculaire atténue fortement la propagation du courant. Et surtout, cette atténuation augmente exponentiellement [1] avec la longueur de la molécule. Une équipe internationale de physiciens du Service de physique de l’état condensé (SPEC, CNRS/CEA), de l’Université de Liverpool au Royaume-Uni et de l’Université Xi’an-Jiaotong-Liverpool en Chine, viennent de trouver une parade à ce problème en remplaçant l’électrode métallique traditionnelle par une électrode en graphène. Ils ont ainsi observé une nette augmentation du courant mesuré en fonction de la longueur de la molécule. Cette augmentation représente un facteur 2 par rapport à ce qui était connu dans les jonctions moléculaires classiques métal/molécule/métal. Ces résultats supportés par un modèle théorique ont fait l’objet d’une publication dans Nano Letters.

Contrôler l’aimantation d’un réseau bidimensionnel de molécules à l’aide de la lumière, c’est ce que viennent de démontrer des équipes du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, de l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, et du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay. Dans des travaux publiés dans Nature Communications, ces chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de faire transiter des molécules d’un état non-magnétique vers un état magnétique, à l’aide d’une irradiation laser, et sous contrôle de la pointe d’un microscope électronique à effet tunnel (STM). Ce travail ouvre des perspectives prometteuses dans le contrôle à l’échelle moléculaire de couches magnétiques bidimensionnelles.

 

Les excitons sont des excitations élémentaires collectives de basse énergie de la matière solide, impliquant la création de paires électron-trou. Ces excitations sont au cœur de l'interaction lumière-matière et à l'origine de phénomènes aussi divers que les processus photovoltaïques ou photo-catalytiques.

Les excitons peuvent être modélisés à l'aide d'approximations simples (modèles de Frenkel ou Wannier [1] ). Cependant de nouveaux développements théoriques sont nécessaires pour rendre compte précisément des progrès récents dans les mesures expérimentales à haute résolution (spectroscopie électronique de perte d'énergie (EELS) ou la diffusion inélastique des rayons X (IXS : Inelastic X-ray Scattering).

Dans ce travail, une collaboration de chercheurs autour de l'équipe ETSF du LSI montre comment une approche ab initio à plusieurs corps peut être étendue pour traiter les excitations propagatives à grand transfert de moment [2], et aller ainsi au-delà des limitations des principes de base [1]. Les courbes de dispersion des excitons de plusieurs systèmes (LiF, Ar, BN, graphane, et solides moléculaires) [3, 4, 5, 6] ont été ainsi obtenues, suggérant de nouvelles expériences. avec la mise en évidence d'un nouveau type d'excitation élémentaire : "l'excitaron", résultant de l'interaction entre trou et exciton [7].

 

L'utilisation des propriétés de spin de l'électron a permis de révolutionner le traitement de l'information, en particulier par la conception de capteurs magnétiques à magnétorésistance géante de très haute sensibilité. Au-delà de ces capteurs constitués de couches minces magnétiques séparées par une interface, de nouveaux systèmes, pouvant permettre une plus grande intégration ou une plus grande sensibilité méritent d'être explorés.

Parmi les systèmes qui permettent de polariser en spin le courant électronique, un polymère purement organique et non-magnétique ne semble a priori pas être le candidat idéal. Pour autant, c’est ce que viennent de démontrer des chercheurs du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA Saclay). Dans des travaux théoriques publiés dans Nano Letters, cette équipe a montré la possibilité de fabriquer un filtre à spin quasi-parfait en utilisant un simple brin de molécule organique (une molécule de polythiophène) connectée entre deux électrodes ferromagnétiques. Cette démonstration repose sur de simples considérations de symétrie entre les fonctions d’ondes des électrodes et de la molécule. Ce résultat ouvre désormais une nouvelle voie pour la conception et l’élaboration de filtres à spins pour l’électronique moléculaire de spin.

 

Des diodes, transistors et autres composants électroniques sans métal, uniquement à base de carbone, seraient-ils possibles ? C’est ce que vient de démontrer une équipe franco-espagnole menée par le Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, URA 2464 CNRS/CEA). Dans des travaux publiés dans Nanoscale, cette équipe a réalisé la première description théorique d’une jonction moléculaire tout carbone, constituée d’une molécule de fullerène connectée à une électrode en graphène. En résolvant les équations de la mécanique quantique, les auteurs  démontrent les propriétés conductrices de la jonction. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique moléculaire entièrement à base de carbone.

 

La course à la miniaturisation des diodes électroluminescentes (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED) vient sans doute de franchir l’étape ultime : une équipe menée par l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), en collaboration avec l’UPMC et le CEA, vient de réaliser la première LED composée d’une seule molécule. Ce dispositif est formé d’un brin unique de polythiophène placé entre la pointe d’un microscope à effet tunnel et une surface en or. Il émet de la lumière seulement lorsque le courant passe dans un certain sens. Ce tour de force expérimental permet de mieux comprendre les interactions entre électrons et photons aux plus petites échelles. Il constitue par ailleurs un pas de plus vers la réalisation de composants pour un futur ordinateur moléculaire. Ces travaux viennent d’être publiés dans Physical Review Letters.

 

Afin de traiter correctement la dynamique de spin pour des nano-objets, le Groupe Modélisation et Théorie du SPEC, en collaboration étroite avec une équipe du CEA/DAM, Le Ripault, a mis au point un modèle générique décrivant à l’échelle atomique la dynamique spatiale des atomes couplée à leur aimantation de spin. Sur cette base, il est possible de rendre compte, à l'aide d'un code de dynamique moléculaire magnétique optimisé, de détails fins du magnétisme du cobalt massif et de l'évolution rapide du magnétisme d'îlots nanométriques.

 

Après le Prix Nobel attribué à A. Fert et P. Grünberg pour leur découverte de la magnéto résistance géante, la révolution de la spintronique (utilisation du spin des électrons comme support d'information) se poursuit. Après les systèmes à base de couches minces métalliques ou d'oxyde, les systèmes moléculaires pourraient offrir de nombreux avantages technologiques et de nouvelles fonctionnalités. Associé à la première mise en évidence expérimentale par l'équipe "Matériaux et Phénomènes Quantiques" de l'Université Paris-Diderot, des effets de magnétorésistance tunnel à travers des molécules uniques de C60 adsorbées sur une surface de chrome, des chercheurs de l’Iramis ont réussi à modéliser avec succès ce système complexe par des méthodes ab-initio. Les calculs permettent d’interpréter l’expérience en montrant que les états électroniques de la molécule de C60 peuvent être polarisés en spin, par l’intermédiaire de leur interaction avec un substrat magnétique.

J. Vidal, S. Botti, P. Olsson, J.-F. Guillemoles et L. Reining
Les cellules photovoltaïques élaborées à partir de couches minces atteignent aujourd'hui des performances à même de concurrencer les cellules à base de silicium les plus performantes (~ 20 %). La technologie couche mince la plus prometteuse repose sur le composé CuIn(S,Se)2 qui se révèle être un excellent absorbeur de lumière. Malgré les nombreuses études théoriques et expérimentales menées sur ce composé, l'origine de son efficacité restait encore un mystère. Par des simulations ab-initio, une équipe du LSI, en partenariat avec le CNRS et EDF, lève le voile sur un mécanisme complexe permettant d'expliquer le rendement remarquable de ces cellules.

 

Retour en haut