Service de Physique de l'Etat Condensé

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Transport thermoélectrique hors-équilibre dans des conducteurs quantiques
Nonequilibrium thermoelectric transport in quantum conductors

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FLEURY Genevieve
+33 1 69 08 73 47

Résumé/Summary

Etude théorique et numérique du transport thermoélectrique dans des systèmes quantiques mésoscopiques, en présence d'un paramètre extérieur dépendant rapidement du temps, poussant le système dans un régime hors-équilibre
Theoretical and numerical study of thermoelectric transport in mesoscopic quantum conductors, in the presence of a fast-varying time-dependent parameter pushing the system out of equilibrium.

Sujet détaillé/Full description

Les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier permettent la conversion d'énergie thermique en énergie électrique et vice-versa. La recherche en thermoélectricité s’est intéressée ces dernières années aux perspectives offertes par la nanostructuration. Des progrès importants ont été réalisés mais ils restent insuffisants au regard des applications ciblées. Un point commun à (presque) tous ces travaux est qu’ils se cantonnent à un régime proche de l’équilibre. Or c’est loin de l’équilibre que les performances thermoélectriques les plus intéressantes sont attendues. Des travaux théoriques récents [1] suggèrent notamment que l’utilisation d’un paramètre extérieur dépendant du temps, empêchant le système d’atteindre son équilibre, devrait avoir des conséquences positives sur le rendement thermoélectrique de nanostructures.

Parallèlement, des expériences innovantes de transport hautes fréquences dans des conducteurs quantiques ont vu le jour dans les laboratoires (notamment au SPEC, dans le groupe Nanoélectronique, où la première source à « lévitons » uniques a été implementée [2]). Ces expériences montrent la faisabilité d’une nouvelle thermoélectricité exploitant la dynamique interne des dispositifs. Elles posent également de nombreuses questions quant aux échanges d’énergie dans ces systèmes hors-équilibre, aux petites échelles spatiales et temporelles.

Nous proposons d'amorcer une étude théorique de la conversion thermoélectrique dépendante du temps dans des conducteurs quantiques. Nous exploiterons les outils numériques et le formalisme analytique récemment développés par nos collaborateurs de l’INAC, CEA Grenoble, pour l’étude du transport électronique résolu en temps [3]. Nous les adapterons au cas du transport thermoélectrique puis les testerons sur un modèle simple déjà résolu analytiquement dans [1]. L'outil développé pourra être utilisé à plus long terme sur divers systèmes (à base de semi-conducteur, graphène, supraconducteur, ...). La démarche adoptée sera également pertinente pour aborder certaines problématiques actuelles de thermodynamique quantique.

Le stage pourra se poursuivre par une thèse (financement "thèse phare du CEA").

REFERENCES
[1] Boosting thermoelectric efficiency using time-dependent control, H. Zhou, J. Thingna, P. Hänggi, J.-S. Wang & B. Li, Scientific Reports 5, 14870 (2015)
[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau & D. C. Glattli, Nature 502, 659 (2013)
[3] Numerical simulations of time resolved quantum electronics, B. Gaury, J. Weston, M. Santin, M. Houzet, C. Groth & X. Waintal, Physics Reports 534, 1 (2014). See also https://kwant-project.org/
Seebeck and Peltier thermoelectric effects provide an eco-friendly way of converting heat into electricity and vice-versa. Research in thermoelectricity has been rekindled in recent years by nanostructuration and the promising perspectives it offers. Important progress has been made but it remains insufficient from a practical standpoint. It turns out that till date, research studies in thermoelectricity have overwhelmingly focused on the near equilibrium regime. Yet it is acknowledged that promising thermoelectric performances are to be expected far from equilibrium. In particular, recent theoretical works suggest that the thermoelectric efficiency of nanodevices should be greatly enhanced by using an external time-dependent parameter driving the system out of equilibrium [1].

On the other hand, technical progress has led to the emergence of new experiments in nanoelectronics, operating at high frequency, in the GHz range or above (see for instance the realization of the first single “Leviton” source in SPEC, CEA-Saclay [2]). These experiments show that brand new studies probing dynamic TE transport in nanodevices are within grasp, from a technical standpoint. They also raise important fundamental questions about energy transfers at short length and time scales.

The goal of the internship is to start a theoretical and numerical investigation of time-dependent thermoelectric conversion in mesoscopic conductors. Using the numerical tools and analytical framework recently developed by our collaborators at INAC, CEA-Grenoble, for the study of time-resolved quantum transport in nanodevices [3], we will build up a numerical platform suitable for the study of dynamic thermal and thermoelectric transport and we will test it on a simple model analytically solved in [1]. At longer term, the platform will allow us to investigate various systems (made of semiconductor, graphene, superconductor, ...). Our approach will be also relevant for other current issues in quantum thermodynamics.

REFERENCES
[1] Boosting thermoelectric efficiency using time-dependent control, H. Zhou, J. Thingna, P. Hänggi, J.-S. Wang & B. Li, Scientific Reports 5, 14870 (2015)
[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau & D. C. Glattli, Nature 502, 659 (2013)
[3] Numerical simulations of time resolved quantum electronics, B. Gaury, J. Weston, M. Santin, M. Houzet, C. Groth & X. Waintal, Physics Reports 534, 1 (2014). See also https://kwant-project.org/

Mots clés/Keywords

Physique théorique, Physique quantique
Theoretical physics, Quantum physics

Compétences/Skills

Formalisme de Landauer-Büttiker, fonctions de Green hors-équilibre
Landauer-Büttiker formalism, nonequilibrium Green's function

Logiciels

Python; Kwant and t-Kwant softwares
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Etude Théorique de l’influence de molécules adsorbées sur l’anisotropie magnétique de couches minces.
Theoretical investigation of the influence of adsorbed molecules on the magnetic anisotropy of magnetic thin films

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

22-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETEAU Cyrille
+33 1 69 08 38 56

Résumé/Summary

Dans ce stage nous nous proposons d’étudier à l’aide de méthodes de calcul de structure électronique ab-initio et/ou liaisons fortes l’anisotropie magnétique de quelques systèmes simples. On considéra dans un premier temps des couches de cobalt et/ou fer en interaction avec du monoxyde de carbone. Ensuite des molécules plus complexes seront considérées. L’objectif final étant de trouver les systèmes molécule/substrat qui présentent les propriétés optimales en vue de possibles applications.
In this internship we propose to study via electronic structure methods (ab-initio and/or tight-binding) the magnetic anisotropy of few simple systems. We will first consider cobalt and iron thin films in interaction with carbon monoxide. More complex systems will be further investigated. The final goals is to find systems molecule/substrate with optimal properties in view of possible applications.

Sujet détaillé/Full description

Le nanomagnétisme est un domaine très fécond à la frontière de nombreuses disciplines. Il consiste en l’étude (et l’utilisation) du magnétisme de systèmes de taille nanométrique. Les propriétés magnétiques des nano-objets sont en générale fortement modifiées par rapport à leur équivalent volumique. L’enjeu est d’arriver à contrôler/manipuler leur propriétés magnétiques. Une des propriétés fondamentales des matériaux magnétiques est leur anisotropie qui est caractérise par des directions d’aimantation préférentielles. Récemment il a été démontré que l’interaction d’une couche mince magnétique avec des molécules pouvait modifier fortement l’anisotropie de cette couche du fait de l’hybridation entre la molécule et les atomes de la surface du substrat.
Dans ce stage nous nous proposons d’étudier à l’aide de méthodes de calcul de structure électronique ab-initio et/ou liaisons fortes l’anisotropie magnétique de quelques systèmes simples. On considéra dans un premier temps des couches de cobalt et/ou fer en interaction avec du monoxyde de carbone. Ensuite des molécules plus complexes seront considérées. L’objectif final étant de trouver les systèmes molécule/substrat qui présentent les propriétés optimales en vue de possibles applications. Ce stage pourra déboucher sur une thèse dans le cadre d’un projet européen impliquant 6 partenaires de différents pays (France, Danemark, Allemagne, Espagne).
Nanomagnetism is an active field at the frontier of various domains. It consists in the study (and use) of the magnetism of nanometer sized systems. Magnetic properties of nano-objects generally strongly differ from their bulk counterpart. A major issue is to control/manipulate their magnetic properties. One of the fundamental properties of magnetic materials is their magnetic anisotropy which is characterized by their easy axis. It has been recently demonstrated that the interaction between a magnetic thin film and adsorbed molecules can greatly modify the anisotropy of the film due to hybridization between the molecule and the surface atoms of the substrate
In this internship we propose to study via electronic structure methods (ab-initio and/or tight-binding) the magnetic anisotropy of few simple systems. We will first consider cobalt and iron thin films in interaction with carbon monoxide. More complex systems will be further investigated. The final goals is to find systems molecule/substrate with optimal properties in view of possible applications. This internship can be pursued by a PhD in the context of a European project involving 6 partners from various EU countries (France, Denmark, Germany, Spain)

Mots clés/Keywords

nanomagnétisme, structure électronique, anisotropie magnétique
nanomagnetism, electronic structure, magnetic anisotropy

Compétences/Skills

Théorie de la fonctionnelle de la densité liaisons fortes
Density functional theory tight-binding

Logiciels

Fortran, python quantum espresso ATK/VNL
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Étude théorique d'électrodes en graphène pour l’Electronique Moléculaire
Theoretical study of graphene electrodes for Molecular Electronics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DAPPE Yannick
+33 1 69 08 30 32

Résumé/Summary

L'objectif principal de ce stage est de comprendre les mécanismes de transport électroniques au sein de jonctions moléculaires à base de graphène, par des méthodes de type "théorie de la fonctionnelle de densité - DFT".
The main objective of this internship is the theoretical study within the Density Functional Theory (DFT) frame of graphene-based molecular junctions, as well as the understanding of the corresponding electronic transport mechanisms.

Sujet détaillé/Full description

L'électronique moléculaire constitue de nos jours un domaine de recherche très actif, tant pour les aspects fondamentaux de ces nouveaux systèmes qui permettent d'explorer la Physique à l'échelle atomique, que par les possibles retombées en termes de composants électroniques innovants. En effet, outre la capacité à reproduire les composants électroniques à base de silicium (diodes, transistors, …), les molécules peuvent apporter de nouveaux types de réponses électriques du fait d'un grand nombre de degrés de liberté quantiques, modulables en fonction de la molécule considérée. En effet, la nature quantique de ces objets ainsi que les nouvelles fonctionnalités qui y sont associées, ouvrent des perspectives fascinantes pour construire l'électronique du futur. En conséquence, ces nouvelles recherches ont conduit à d'importants développements dans le domaine de l'électronique moléculaire, notamment pour ce qui est du contrôle et de la manipulation du transport électronique à travers une jonction moléculaire. La majorité des jonctions moléculaire est fabriquée à base de molécules connectées à leurs extrémités par des électrodes métallique (or, platine, argent, ….). Or il a été démontré à plusieurs reprises que la connexion de l'électrode à la molécule présente une influence non négligeable sur la conductance électrique du système. En ce sens, de récents développements ont proposés l'utilisation de nouveaux matériaux tels que le graphène, une couche monoatomique de carbone, réputée pour ces fantastiques propriétés de conduction électrique, comme électrodes dans les jonctions moléculaires. Ainsi, il a été observé que la connexion à une électrode en graphène permet d'augmenter significativement la conductance de la jonction pour de longues chaînes moléculaires, et donc de réduire le coût énergétique de ces systèmes.

L'objectif principal de ce stage s'inscrit dans ce cadre par l'étude théorique de jonctions moléculaires asymétriques, basées sur des électrodes en graphène ou MoS2, ainsi que l'étude de fils moléculaires décollés de la surface par une pointe STM. En utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), on déterminera la configuration d'équilibre de la jonction moléculaire, ainsi que des propriétés électroniques, avant dans un deuxième temps, à partir des configurations d'équilibre obtenues, de calculer le transport électronique dans un formalisme de Keldysh-Green. Il s'agira alors de comprendre le mécanisme d'augmentation de la conductance par rapport aux jonctions classiques, et de les comparer aux résultats expérimentaux existants. Les différents comportements attendus dans ces systèmes permettent d'étudier la Physique du transport électronique à l'échelle atomique, et peuvent être à l'origine de la conception de nouveaux composants à l'échelle de la molécule unique.
Molecular Electronics constitute nowadays a very active field of research, either for fundamental aspects in these new systems which allow exploring new Physics at the atomic scale, than for the possible applications in terms of innovative electronic devices. Indeed, beyond the ability to reproduce silicon based components (diodes, transistors, …), molecules can also bring new types of electric response due to the great number of quantum degrees of freedom, which are tunable according to the considered molecule. Indeed, the quantum nature of these objects as well as the new associated functionalities open fascinating perspectives to build future electronics. Consequently, those new researches have led to important developments in the field of Molecular Electronics, in particular regarding the control and manipulation of electronic transport through a molecular junction. Most of the molecular junctions are based on molecules connected to metallic electrodes (gold, platinum, silver…). However, it has been demonstrated in several occasions that the connection between molecule and electrode has a non negligible influence on the electric conductance of the system. In that manner, recent developments have proposed to make use of new materials like graphene, which is really well-known for its fantastic electric conduction properties, as electrodes for molecular junctions. Hence, it has been observed that the connection to a graphene electrode allows to significantly increase the junction conductance for long molecular chains, and therefore to reduce the energetic cost of such junction.

The main objective of this internship lies in this frame by the theoretical study of asymmetric molecular junctions based on graphene or MoS2, as well as the study of molecular wires lifted off a surface using a STM tip. By using Density Functional Theory (DFT), we will determine the equilibrium configuration of the molecular junction and the corresponding electronic properties, before in a second time to calculate the electronic transport from the obtained structures, using a Keldysh-Green formalism. The purpose will be to understand the mechanism of conductance increase with respect to classical junctions, and to compare them to existing experimental results. The different expected behaviorsin those systems allow to study the Physics of electronic transport at the atomic scale, and could be exploited for the conception of new devices at the single molecule scale.

Mots clés/Keywords

Théorie, simulations numériques, propriétés électroniques et transport électronique, électronique moléculaire, graphène
Theory, numerical simulations, electronic properties and electronic transport, molecular electronics, graphene

Compétences/Skills

Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), formalisme de Keldysh-Green pour le transport hors-équilibre, modèle de liaisons fortes
Density Functional Theory (DFT), Green Keldysh formalism for non-equilibrium transport, tight-binding model

Logiciels

Fortran, Fireball code
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Courants à haute polarisation de spin dans des jonctions à molécule unique
Highly spin-polarized electron transport in single molecule nanojunctions

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

19-04-2018

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

SMOGUNOV Alexander
0169083032

Résumé/Summary

Le stage est dédié à l'étude théorique du transport électronique polarisé en spin dans les nanojonctions constituées d'une molécule unique connectée à deux électrodes ferromagnétiques. Un accent particulier serait mis sur la possibilité d'optimiser et de piloter le degré de polarisation de spin du courant électrique et des propriétés de magnétorésistance.
We will study theoretically spin-polarized electronic transport in molecular nanojunctions made of a single molecule connecting two ferromagnetic electrodes. The particular stress will be made on the possibility to optimize and to control the degree of spin-polarization of electric current and magnetoresistance properties of a junction.

Sujet détaillé/Full description

Le stage est dédié à l'étude théorique du transport électronique polarisé en spin dans les nanojonctions constituées d'une molécule unique connectée à deux électrodes ferromagnétiques. Un accent particulier serait mis sur la possibilité d'optimiser et de piloter le degré de polarisation de spin du courant électrique et des propriétés de magnétorésistance – des concepts très importants en spintronique moléculaire [1] – par un choix judicieux de molécules ou par différents facteurs externes tels que la température (du fait de l'interaction entre électrons et vibrations moléculaires), un champ électrique (grille électrostatique) ou la tension mécanique sur la molécule exercée par des électrodes. Des méthodes ab initio de DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité) en combinaison avec des calculs modèles, basés sur la description quantique du transport électronique, vont être utilisés pendant le stage en s’appuyant sur des codes de calcul développés dans le groupe.

[1] A. R. Rocha et al., “Towards molecular spintronics”, Nature Mater. 4, 335(2005); S. Sanvito, “Molecular spintronics”, Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011).
We will study theoretically spin-polarized electronic transport in molecular nanojunctions made of a single molecule connecting two ferromagnetic electrodes. The particular stress will be made on the possibility to optimize and to control the degree of spin-polarization of electric current and magnetoresistance properties of a junction – very important in the field of molecular spintronics [1] – by a clever choice of a molecule itself or by some external factors such as a temperature (via interaction of electrons with molecule vibrations), an electric field (a gate), or a mechanical strain exerted on the molecule by electrodes. The combination of ab initio DFT (Density Functional Theory) electronic structure methods and model calculations, based on quantum-mechanical description of electron transport, will be used during the project employing the codes developped in the group.

[1] A. R. Rocha et al., “Towards molecular spintronics”, Nature Mater. 4, 335(2005); S. Sanvito, “Molecular spintronics”, Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011).

Mots clés/Keywords

Transport électronique; spintronique moléculaire; structure électronique
Electron transport; molecular spintronics; electronic structure

Compétences/Skills

Mécanique quantique; Théorie de la Fonctionnelle de la Densité; Modèle des liaisons fortes; Fonctions de Green hors équilibre
Quantum mechanics; Density Functional Theory; Tight-binding models; Non-equilibrium Green's functions

Logiciels

Fortran; Quantum-ESPRESSO; gmgrace, avogadro, xcrysden, gnuplot

 

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