Service de Physique de l'Etat Condensé

La thèse est dédiée au développement de code pour étudier théoriquement des phénomènes de transport dans des systèmes ouverts quantiques de taille nanométrique, constitués de deux réservoirs macroscopiques connectés par une jonction à l’échelle atomique – sujet de très grand intérêt du point de vue fondamental mais aussi pour des applications technologiques.



Les électrodes macroscopiques peuvent être constituées par des surfaces (magnétiques) métalliques ou par des plans de matériaux bidimensionnels (tels que le graphène) et la jonction réalisée par une chaîne atomique ou une molécule (magnétique) unique. Plusieurs types de canaux de transport dans le système, comme par exemple une propagation d’électrons ou de phonons, vont être traités de façon unique en utilisant une approche quantique de fonctions de Green hors équilibre [1]. Le code s'appuiera sur un modèle réaliste de liaisons fortes avec les paramètres nécessaires qui 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 (QE) [2] – un des codes de structure électronique les plus précis à base d’ondes planes. Notre code va généraliser le code de transport quantique PWCOND [3] (qui est inclus dans QE) dans le but d’être appliqué aux phénomènes de transport d’un point de vue général, et de traiter des systèmes quantiques de plus grande échelle. Il va permettre en particulier de calculer des courants électriques et thermiques en fonction d’un voltage appliqué ou d’un gradient de température, et ainsi d'explorer différents effets thermoélectriques. En outre, des interactions électron-électron ou électron-phonon dans la jonction peuvent être naturellement implémentés dans le modèle, ce qui permettra aussi d'adresser la physique de Kondo ou d’étudier la conversion et les échanges d'énergie entre degrés de liberté électroniques et phononiques.



[1] J. C. Cuevas and E. Scheer, Molecular Electronics: An Introduction to Theory and Experiment, World Scientific (2010)

[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)

[3] A. Smogunov, A. Dal Corso, E. Tosatti, Ballistic conductance of magnetic Co and Ni nanowires with ultrasoft pseudo-potentials, Phys. Rev. B 70, 045417 (2004)

Depuis sa création il y a plus de 30 ans par Binnig et Rohrer, le microscope électronique à effet tunnel (STM) est devenu un instrument de choix, non seulement pour l’étude des structures atomiques de surfaces ou de nanostructures en surface, mais également pour la détermination des propriétés électroniques de ces systèmes. Cependant, la complexité des images obtenues expérimentalement requiert fréquemment un support théorique avancé pour parvenir à une correcte interprétation des données expérimentales. En ce sens, la détermination de la structure atomique et électronique sur la base de calculs dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) représente un outil complémentaire très intéressant pour la caractérisation de ces systèmes. L’objet de cette thèse est de poursuivre plus avant les développements numériques en termes de simulation d’images STM par la prise en compte des effets de polarisation de spin. En effet, l’étude des nanostructures magnétiques revêt une importance fondamentale dans la recherche actuelle du fait des nombreuses applications dans les technologies de l’information et de la communication. Au cours de ce travail, il s’agira donc d’introduire la polarisation de spin dans un code de calcul de DFT, puis de reprendre les développements précédemment réalisés pour calculer le courant polarisé en spin entre la pointe STM et le système étudié. Ces développements seront ensuite confrontés à des systèmes expérimentaux de référence.

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 cette thèse 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.