Service de Physique de l'Etat Condensé

Un sujet de thèse est proposé au sein du Groupe de Modélisation et Théorie du SPEC (UMR 3680 CNRS – CEA Saclay).

Il s'agit d'un travail théorique portant sur les propriétés électroniques de matériaux carbonés nouveaux tels que des nano-grilles de graphène (réseau parfaitement périodique de trous calibrés dans un plan de graphène), flakes de graphène (macromolécules monodisperses, dont la forme est contrôlée) ou rubans de graphène. Ces matériaux présentent des nouvelles propriétés d’intérêt dans les domaines de l’optique, l’électronique ou la spintronique. Ce travail consistera à étudier la structure atomique et électronique de ces matériaux, dans le cadre de leur synthèse, afin d'en extraire les propriétés de transport électronique ainsi que leur réponse optique. Les méthodes utilisées seront la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), ainsi que des méthodes de type liaisons fortes, qui permettront de déterminer la structure électronique de ces objets avec différents degrés de précision et pour différentes tailles de systèmes. A partir de la structure électronique, les propriétés de transport seront déterminées dans un formalisme de fonctions de Green. Il s’agira également de simuler les images de microscopie électronique a effet tunnel (STM) ainsi que les spectres tunnels correspondant, afin de les comparer aux données expérimentales. Les propriétés optiques (absorption et luminescences) seront calculées à partir des résultats DFT précédents. Il s'agira ici de déterminer les fonctions de réponse via des approches combinées DFT/liaisons fortes. Une partie du travail consistera à développer le modèles liaisons fortes permettant de traiter les plus grandes structures.



Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre différentes équipes du plateau de Saclay : des chimistes en charge de la synthèse de ces matériaux (CEANIMBE et ICMMO Paris XI), un groupe de microscopie en champ proche (ISMO) et un groupe d'opticiens (LAC Paris XI). Les travaux théoriques seront réalisés lors de cette collaboration ce qui assurera un cadre de comparaisons et de feedback théorie/expériences extrêmement fructueux. Le/la candidat(e) devra avoir une formation dans le domaine de la physique théorique de la matière condensée et les approches numériques correspondantes. Il/elle devra également porter un intérêt particulier à la compréhension des techniques expérimentales attenantes.

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)

Le but de la thèse proposée est de développer un code général et efficace pour étudier théoriquement le transport électronique dans des systèmes bidimensionnels (2D) comme le graphène et plus particulièrement, les matériaux 2D magnétiques découverts récemment [1] tels que CrI3, Fe3GeTe2, etc. Il s’agit ici d’un sujet de très grand intérêt d’un point de vue fondamental, mais également pour des applications technologiques. 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 (QE) [2] – un des codes de structure électronique les plus précis à base d’ondes planes. Plusieurs approches de transport quantique basées sur des fonctions de Green hors équilibre, de la diffusion des fonctions d'ondes, ou encore une méthode directe d'évolution temporelle de paquets d'ondes électroniques vont être explorées et implémentées dans le code. Il permettra d’étudier divers phénomènes intéressants tels que l'effet de champ magnétique, des potentiels (grilles) temporels, des impuretés ou des vibrations atomiques (phonons) sur la dynamique des électrons de différents spins 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)

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.