CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

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

30/04/2021

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
Magnétisme aux interfaces: effet du couplage spin-orbite.
Magnetism at interfaces: spin-orbit coupling effects.

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETEAU Cyrille
+33 1 69 08 38 56

Résumé/Summary
Au cours de ce stage nous étudierons à l'aide de méthodes de structure électronique le magnétisme d'interface entre un matériau magnétique et un matériau non magnétique (en général) à fort couplage spin-orbite.
During this internship we will study by means of electronic structure methods the magnetism between a ferromagnetic material and a non-magnetic one (generally) with strong spin-orbit.
Sujet détaillé/Full description
Le couplage spin-orbite est à l'origine de nombreux effets physiques et son influence sur les propriétés magnétiques des matériaux est au centre de nombreuses études expérimentales et théoriques.
Dans les systèmes où la symétrie d'inversion est absente des phénomènes exotiques apparaissent. C'est le cas par exemple de l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya d'interface par exemple qui favorise des structures magnétiques non-colinéaires dites structures chirales tels que les skyrmions. Même si l'origine de cette interaction est à peu près claire l'amplitude et même le signe de cette interaction reste très mal comprise et encore moins maitrisée.
L'objectif de cet stage sera de calculer cette interaction à l'aide de méthode de structure électronique que nous appliquerons à différentes interfaces afin d'élucider le rôle des paramètres physiques les plus pertinents.

Ce stage nécessite un goût pour la modélisation. Nous utiliserons (et développerons) des codes de structure électronique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et sur la méthode des liaisons fortes.
Spin-orbit coupling is at the origin of many physical effects and its influence on the magnetic properties of materials is at the center of many experimental and theoretical studies.
In systems where inversion symmetry is absent, exotic phenomena appear. This is the case of the Dzyaloshinskii-Moriya interface interaction for example, which favors non-collinear magnetic structures called chiral-structures such as skyrmions. Even if the origin of this interaction is more or less clear the amplitude and even the sign of this interaction remains very poorly understood and even less controlled.
The objective of this workshop will be to calculate this interaction using electronic structure methods that we will apply to different interfaces in order to elucidate the role of the most relevant physical parameters.

This internship requires a taste for modeling. We will use (and develop) electronic structure codes based on the Density Functional Theory (DFT) and on the tight-binding method.
Mots clés/Keywords
Modélisation, magnétisme, structure électronique
Modelling, Magnetism, electronic structure
Compétences/Skills
Utilisation et développement de codes informatiques Théorie de la fonctionnelle de la densité Méthode des liaisons fortes
Use and development of electronic structure codes Density Functional Theory Tight-Binding Method
Logiciels
Fortran, python
Simulation de dynamique quantique électronique dans des matériaux bidimensionnels
Quantum-mechanical simulation of electron dynamics in two-dimensional materials

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SMOGUNOV Alexander
0169083032

Résumé/Summary
Le but du stage proposé est de développer un code général et efficace pour étudier théoriquement la dynamique électronique dans des systèmes bidimensionnels (2D), mono ou multicouches, comme le graphène ou des matériaux 2D magnétiques découverts récemment.
The goal of the internship is to develop a general and efficient code for theoretical study of electron dynamics in two-dimensional (2D) systems, single- or multi-layer, such as graphene or recently discovered magnetic 2D materials.
Sujet détaillé/Full description
Le but du stage proposé est de développer un code général et efficace pour étudier théoriquement la dynamique électronique dans des systèmes bidimensionnels (2D), mono ou multicouches, comme le graphène ou des matériaux 2D magnétiques découverts récemment [1]. Il s’agit d’un sujet de très grand intérêt d’un point de vue fondamental, mais également pour des applications technologiques (en spintronique, notamment). Le code s'appuiera sur un modèle réaliste de liaisons fortes à plusieurs orbitales ou les paramètres nécessaires seront extraits des calculs ab initio dans le cadre de la DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité). Comme outil principal de DFT nous allons utiliser le package Quantum-Espresso [2] – un des codes de structure électronique les plus précis à base d’ondes planes. Plusieurs approches de transport quantique basées sur la diffusion des fonctions d'ondes ou une méthode directe d'évolution temporelle de paquets d'ondes électroniques vont être implémentées dans le code. Il permettra d’étudier divers phénomènes intéressants tels que des interférences quantiques (dans des structures multicouches, par exemple), ou des effets d'impuretés atomiques et de champ magnétique sur la dynamique des électrons de différents spins (polarisation en spin – l'effet Hall de spin) dans le cadre d'une approche précise basée sur la mécanique quantique.

[1] M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo, K. S. Novoselov, Magnetic 2D materials and heterostructures, Nature Nanotechnology14, 408 (2019)
[2] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009)
The goal of the internship is to develop a general and efficient code for theoretical study of electron dynamics in two-dimensional (2D) systems, single- or multi-layer, such as graphene or recently discovered magnetic 2D materials [1] – the subject of great interest from both fundamental point of view but also for possible technological applications (in spintronics, in particular). The code will be based on realistic multi-orbital tight-binding model where needed parameters will be extracted from ab initio DFT (Density Functional Theory) calculations. The main DFT tool to be used is the Quantum-Espresso package [2] – one of the most accurate electronic structure codes based on plane wave expansion of electronic wave functions. Several approaches to quantum transport such as the wave function scattering method or the direct time evolution of electron wave packets will be explored and implemented in the code. Many interesting phenomena such as quantum interference (in multilayer structures, for example) or effect of impurity atoms and magnetic field on spin-dependent electron dynamics (spin separation – spin Hall effect) are going to be addressed based on accurate quantum-mechanical description.

[1] M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo, K. S. Novoselov, Magnetic 2D materials and heterostructures, Nature Nanotechnology14, 408 (2019)
[2] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009)
Mots clés/Keywords
transport quantique electronique, spintronique
quantum electron stransport, spintronics
Compétences/Skills
Théorie de la Fonctionnelle de la Densité; Modèle de liaisons fortes
Density Functional Theory; Tight-binding model
Logiciels
Quantum ESPRESSO; fortran;

 

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