Service de Physique de l'Etat Condensé

Nous proposons une thèse dédiée à l'étude théorique du transport électronique polarisé en spin dans des jonctions constituées de molécules organiques connectées à deux électrodes ferromagnétiques – le sujet est d’un très grand intérêt dans le domaine de la spintronique organique/moléculaire [1]. Un accent particulier sera 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 – 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), le champ électrique (grille électrostatique) ou la tension mécanique sur la molécule exercée par des électrodes. L’idée principale, est d’exploiter le principe de symétrie des orbitales moléculaires – argument que nous avons avancé récemment [2] – qui peut permettre de filtrer le spin du courant électrique de manière efficace. Des méthodes ab initio basées sur la DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité) implémentée dans le code Quantum ESPRESSO [3], en combinaison avec des calculs de transport modèles, basés sur le formalisme de Keldysh, seront utilisés au cours de ce projet. De nouvelles fonctionnalités comme, par exemple, le couplage électron-phonon sur la molécule ou le transport thermique, seront implémentés dans les codes QE et le transport électronique.



[1] A. R. Rocha et al., Towards molecular spintronics, Nature Mater. 4, 335(2005); S. Sanvito,

Molecular spintronics, Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011); V. Alek Dediu et al., Spin routes in

organic semiconductors, Nature Mater. 8, 707 (2009);

[2] A. Smogunov and Y. J. Dappe, Symmetry-Derived Half-Metallicity in Atomic and Molecular

Junctions, Nano Lett. 15, 3552 (2015);

[3] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for

quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009).

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 caractérisée par des directions d’aimantation préférentielles mais également par des propriétés de transport électronique qui dépendent de l’angle relatif entre l’aimantation et le courant électrique. 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. De même des expériences récentes ont mis en évidence des anisotropies de magnétorésistance (AMR : Anisotropic Magneto-Resistance) très fortes lorsque dans des constrictions de nickel connectées par une molécule de benzène.

Au cours de cette thèse nous nous proposons d’étudier à l’aide de méthodes de calcul de structure électronique ab-initio et/ou liaisons fortes l’anisotropie magnétique dans des systèmes hybrides substrat magnétique/molécule. On considéra dans un premier temps des couches de cobalt et/ou fer en interaction avec des molécules simples. 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.

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.

Ce sujet bénéficie aujourd'hui d'un financement CEA, comme sujet "phare". La sélection des candidatures reçues se fera au début du printemps 2018.



Les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier permettent la conversion d'énergie thermique en énergie électrique et vice-versa. Ainsi l'on peut avec l'effet Seebeck récupérer de la chaleur perdue pour produire de l'électricité. A l'inverse, il est possible en utilisant l'effet Peltier de refroidir localement un dispositif en exploitant de la puissance électrique. Pendant longtemps, ces effets thermoélectriques n'ont montré que des rendements très faibles et ils n'ont ainsi trouvé que des applications marginales. Mais depuis peu, les règles du jeu ont changé : la découverte de nouveaux matériaux prometteurs, les progrès en nanofabrication et la volonté grandissante de répondre aux impératifs d'économie d'énergie ont relancé la recherche.



Nous proposons dans cette thèse théorique d'étudier analytiquement et numériquement la conversion thermoélectrique dans des systèmes mésocopiques de basse dimension. Nous nous intéresserons à un régime loin de l'équilibre où des effets thermoélectriques importants sont attendus. Nous considérerons en particulier des systèmes soumis à un forçage dynamique. D'un point de vue méthodologique, nous utiliserons les outils numériques et le formalisme analytique développés au CEA-Grenoble (groupe de Xavier Waintal) pour l'étude du transport quantique résolu en temps (voir https://kwant-project.org/). Nous l'adapterons au cas du transport thermoélectrique et l'appliquerons sur divers systèmes (boîte quantique, contact ponctuel quantique, nanofils…).