Télécharger la présentation
Publié parIvon Leon Modifié depuis plus de 11 années
1
Structure électronique et transport dans une jonction moléculaire
Christophe Krzeminski Structure électronique et transport dans une jonction moléculaire
2
Introduction La loi de Moore
Réduction continue de la taille du transistor MOSFET... limites fondamentales, technologiques, financières
3
Introduction Exploration de deux voies principales pour réaliser des composants à l’échelle nanométrique : Les nanostructures semiconductrices. L’électronique moléculaire. Source Drain Substrat (Grille) e- Ilot , molécule
4
Interprétation des caractéristiques
Introduction L’électronique moléculaire : Utiliser des molécules organiques afin de réaliser des composants Fils moléculaires. Diodes moléculaires. Transistor moléculaire ? D’importants progrès expérimentaux pour réaliser des dispositifs nanométriques: Electrodes coplanaires (nanotubes, ADN) Jonctions brisées Nanopores (composés thiols) Interprétation des caractéristiques
5
Introduction Le développement des nanotechnologies
doit s’accompagner de celui d’outils de calcul (structure électronique, …) adaptés à la simulation de ces dispositifs. L’objectif: étudier le transport dans des jonctions moléculaires afin d’affiner les interprétations d’expériences récentes Relations entre structure électronique/caractéristique électrique Etudier l’influence du champs électrique sur ces dispositifs
6
I Principes mis en oeuvre
Plan de l’exposé I Principes mis en oeuvre Théorie du transport adoptée Calcul auto-cohérent de structures électroniques Influence du champs électrique II Etude d’une famille de fils moléculaires (nTVs) III Etude d’une diode moléculaire (C16H33Q-3CNQ)
7
Transport : théorie de Landauer
Potentiel Diffuseur Réservoir e- Réservoir e- Transport ballistique : cohérent +élastique T Métal Molécule R f f eV T(E) Calculer la transmission T(E) à partir de la structure électronique de la jonction ?
8
Transport:formalisme de fonctions de Green
f eV T(E) J Ga,Gr: Structure électronique de la molécule D,G: Nature de l’interface molécule/substrat fD,fG: Statistique de Fermi-Dirac (occupation des réservoirs)
9
Transport: Calcul des différents termes...
Les matrices de couplages: D,G : Densité d’états de l’électrode VG: Potentiel de couplage Les fonctions de Green de la molécule: Ga,Gr: Besoin de calculer la structure électronique de la molécule Ek, k
10
Calcul auto-cohérent de structures électroniques
Calcul précis de la structure électronique de molécules comportant des atomes divers et d’une taille ~100 atomes. Calcul auto-cohérent: Introduction des interactions e-/e- (Hartree) Influence du champs électrique. ab-initio LDA 10 100 1000 Nombres d ’atomes Liaisons fortes
11
Les liaisons fortes autocohérentes
Les états propres des molécules sont recherchés sous la forme d’une combinaison linéaire d’orbitales atomiques (s, p...). H: Les interactions (termes non diagonaux) sont décrits par des interaction Slater-Koster aux premiers voisins: Les termes intra-atomiques dépendent de nombreux facteurs Potentiel extérieur appliqué Potentiel coulombien (excès de charges) Potentiel image
12
Implémentation numérique:
Construire et diagonaliser l’Hamiltonien H0 Modification des termes intra-atomiques H Calcul des susceptibilités Calculer des potentiels autocohérents V non Vn+1 = Vn ? oui Obtention de la structure électronique autocohérente
13
Les paramètres de liaisons fortes:
Calculer la structure électronique et les charges en LDA de nombreuses molécules simples: Ajustement par moindre carré des paramètres de liaisons fortes afin de reproduire les résultats en LDA. Obtention des paramètres d’interaction des principales liaisons chimiques
14
de complexité croissante.
Test de la méthode : quelques molécules Quelques exemples de complexité croissante. azulène tétracène Q-3CNQ OHAPy-C-DNB C N NO2 O H C5H11 V=0 Molécules possédent un large panel de propriétés différentes (dipôle, structure électronique).
15
Variations du dipôle Variation du dipôle de quelques molécules en fonction du potentiel.
16
Variation des niveaux électroniques
Variation de quelques niveaux électroniques du tetracène. Lumo Homo
17
Variation des niveaux électroniques
Variation des niveaux de OHAPy-C-DNB. NO2 O N H C5H11 Lumo Homo
18
Quelques conclusions
Bonne concordance générale entre la LDA et les liaisons fortes. Nécessité de réaliser des calculs autocohérents. Influence importante du champs électrique sur les propriétés électroniques de la molécule.
19
I Principes mis en œuvre
Plan de l’exposé I Principes mis en œuvre II Etude d’une famille de fils moléculaires (nTVs) Comparaison structure électronique/caractérisations expérimentales Calcul des propriétés de transport d’une jonction Al/nTVs/Al Présentation des thiénylènevinylènes (nTVs) III Etude d’une diode moléculaire (C16H33Q-3CNQ)
20
Présentation des thiénylènevinylènes
8 T V Gap optique mesuré qui converge vers 1.9eV. Taille de molécule qui atteint 100 A° (16TV) Désordre rotationnel limité Bons candidats de fils moléculaires I. Jestin et al, J. Am. Chem. Soc , 120, 8150 (1998)
21
Gap optique des thiénylènevinylènes
Nécessité d’introduire une correction constante 1.2eV Bonne description des variations
22
Spectre optique Calcul du coefficient d’absorption optique en liaisons fortes à l’aide de la règle d’or de Fermi. Description des deux bandes principales expérimentales
23
B. Grandidier et al, Surface Science, 473, 1 (2001)
Etats électroniques et image STM Homo Lumo Image STM des 4TV B. Grandidier et al, Surface Science, 473, 1 (2001) Si(100)-2*1
24
Variations des niveaux du 6TV en fonction du potentiel appliqué
Structure électronique sous champs Variations des niveaux du 6TV en fonction du potentiel appliqué Homo, Homo-1 Lumo, Lumo+1
25
Caractéristique AL/6TV/AL
Caractéristique électrique V~+1.3 f eV f Homo J Caractéristique AL/6TV/AL V~+1.7 f f eV Homo Homo-1
26
Courant faible molécules physisorbées
Deux régimes de transport I résonant Homo I non-résonant Courant faible molécules physisorbées
27
Quelques conclusions sur les nTVs
Calcul structure électronique => valider le concept de fil moléculaire Interprétation des mesures d’absorption optique, de voltamétrie, imagerie STM Mis en évidence la possibilité d’avoir un transport par effet tunnel résonant
28
Structure électronique de la molécule isolée et de la monocouche
Plan de l’exposé I Principes mis en œuvre II Etude d’une famille de fils moléculaires (nTVs) III Etude d’une diode moléculaire (C16H33Q-3CNQ) Principe d’Aviram et Ratner Structure électronique de la molécule isolée et de la monocouche Etude du transport au niveau de la monocouche Discussion de l’origine du mécanisme de rectification
29
A. Aviram &M. A. Ratner, Chem. Phys. Lett., 29, 277 (1974)
Principe d’Aviram et Ratner Métal/Molécule/Métal Diode moléculaire D--A V>0 Lumo (A) Homo (A) Lumo (D) Homo (D) I V V<0 Lumo (A) Homo (A) Lumo (D) Homo (D) A. Aviram &M. A. Ratner, Chem. Phys. Lett., 29, 277 (1974)
30
Le candidat de diode moléculaire: C16H33Q-3CNQ
Pont Groupement donneur Quinolinium C N + - C16H33 C16H33Q-3CNQ Groupement accepteur 3CNQ Chaîne aliphatique
31
Mesures électriques sur une monocouche
Bilan des mesures: 30% direct 23% inverse 47% ~symétrique R. M Metzger et al, J. Am. Chem. Soc., 119, (1999) D. Vuillaume et al, Langmuir, 15, 4011 (1999)
32
Propriétés électroniques de la molécule
Gap à un électron faible ~0.7 eV Homo Lumo Dipôle gigantesque ~30 Debyes Etats électroniques délocalisés Etats délocalisés Le principe d’Aviram&Ratner est inapplicable
33
Réduction du dipôle due aux interactions dipolaires
Influence de la monocouche Dipôle molécule isolée Dipôle gigantesque de la molécule isolée ~ 30 debyes Introduction dans l’autocohérence des interactions électrostatiques entre les molécules au niveau de la couche. Dipôle molécule en couche Réduction du dipôle due aux interactions dipolaires
34
Influence du potentiel appliqué
Potentiel dans une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL. Zone écrantage important Zone écrantage peu important asymétrie du potentiel piste pour expliquer les effets rectificateurs
35
Transport avec des électrodes d’aluminium
Position des niveaux de la molécule c Lumo Homo 1eV b Lumo Homo a 1eV Lumo Homo Niveau du vide EF(AL) 4.2 eV AL AL2O3
36
Caractéristique d’une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL
Transport avec des électrodes d’aluminium Caractéristique d’une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL Cas a Asymétrie en inverse
37
Caractéristique d’une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL
Transport avec des électrodes d’aluminium Caractéristique d’une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL Cas b Asymétrie en inverse
38
Caractéristique d’une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL
Transport avec des électrodes d’aluminium Caractéristique d’une jonction AL/C16H33Q-3CNQ/AL Cas c Asymétrie en direct
39
Transport avec des électrodes d’aluminium
Transport avec des électrodes d’aluminium Caractéristique pour une jonction AL/Q-3CNQ/AL (sans chaîne aliphatique). symétrie
40
Quelques conclusions Principe d’Aviram et Ratner est inapplicable.
La présence de la chaîne aliphatique entraîne des asymétries au niveau des caractéristiques électriques. Influence sur le sens de rectification de la position des niveaux de la molécule
41
Transport avec des électrodes d’or
Objectif: s’affranchir des problèmes d’oxyde Caractéristique expérimentale Au Uniquement des effets rectificateurs dans le sens direct
42
Théorie => effet rectificateur dans le sens direct
Transport avec des électrodes d’or Au Théorie => effet rectificateur dans le sens direct
43
Une utilisation pratique ?
Plus longueur chaîne aliphatique plus effet rectificateur Plus longueur chaîne aliphatique plus courant compromis subtil à trouver
44
Conclusions Calcul de la structure électronique de molécules comprenant ~100 atomes avec une méthode de liaisons fortes autocohérente. Calcul des propriétés de transport pour une famille de fils moléculaires (nTVs) et pour un candidat de diode C16H33Q-3CNQ. Interprétation différente des effets rectificateurs observés sur C16H33Q-3CNQ Montrer l’influence des effets inélastiques sur les caractéristiques I-V de ces systèmes.
45
Système à deux niveaux électroniques =>Aviram-Ratner
Perspectives Application à d’autres types de molécules OHAPy-C-DNB (vérifie le principe d ’Aviram & Ratner) Molécules biologiques (bases de l’ADN) Nanotubes Adaptation du modèle de transport élastique à d’autres dispositifs : Molécule greffée sur une surface (Silicium,Or) Microscopie STM. Poursuite de l’étude des effets inélastiques Système à deux niveaux électroniques =>Aviram-Ratner
46
Structure électronique et transport dans une jonction moléculaire
Christophe Krzeminski Structure électronique et transport dans une jonction moléculaire
47
Titre de la diapositive
Présentations similaires
© 2024 SlidePlayer.fr Inc.
All rights reserved.