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Yann Michel Niquet1,2*, C. Delerue1, G. Allan1 et M. Lannoo3
1 IEMN-ISEN, Villeneuve d’Ascq, France.2 UCL-PCPM Louvain-La-Neuve, Belgique.
3 L2MP, Marseille, France.
Etude des propriétés de transport denanostructures de semiconducteurs
• Introduction
Source Drain
Substrat (Grille)
Ilot, molécule
Réduction continue de la taille du transistor MOSFET...Réduction continue de la taille du transistor MOSFET...vers des composants à l’échelle nanométrique basés sur une molécule, un îlot métallique ou semiconducteur...
• Introduction
Source Drain
Substrat (Grille)
Ilot, molécule
Propriétés de transport dominées par les effets :
Dispositifs originaux (transistors et mémoires à un électron...).
e-
Propriétés de transport dominées par les effets :du confinement quantique.
Propriétés de transport dominées par les effets :du confinement quantique.des interactions électroniques (« effets à un électron »).
Propriétés de transport dominées par les effets :du confinement quantique.des interactions électroniques (« effets à un électron »).
• Introduction
Source Drain
Substrat (Grille)
Nanocristal
A. P
. Aliv
isat
os, J
. Phy
s. C
hem
. 100
, 132
26 (1
996)
.
2 à 15 nm
Dispositifs originaux (transistors et mémoires à un électron...).
Nanocristaux de semiconducteurs obtenus par synthèse colloïdale (en solution).
• Introduction
Source Drain
Substrat (Grille)
Nanocristal
La spectroscopie tunnel, réalisée à l’aide d’un microscope àeffet tunnel (STM), permet de caractériser les propriétés de transport des nanocristaux...
A. P
. Aliv
isat
os, J
. Phy
s. C
hem
. 100
, 132
26 (1
996)
.
2 à 15 nm
• Spectroscopie tunnel
Substrat OrHexanedithiol
PointeSTM
Trioctylphosphine
Nanocristal
Structure double jonction tunnel
Jonction tunnel pointe-nanocristalJonction tunnel nanocristal-substrat
V
I
Le développement des nanotechnologiesdoit s’accompagner de celui d’outils de calcul (structure électronique, …)
adaptés à la simulation de ces dispositifs.
I. La spectroscopie tunnel des nanocristaux desemiconducteurs
Spectre d’excitation (CdSe)
Spectre d’addition (InAs)
Confinement quantique et effets à un électron
II. Calcul et discussion des spectres de conductanceLa méthode des liaisons fortes
Modèle capacitif / Calcul auto-cohérent
Les nanocristaux d’InAs : Transport combiné électrons-trous
• Plan de l’exposé
I. La spectroscopie tunnel des nanocristaux desemiconducteurs
Spectre d’excitation (CdSe)
Spectre d’addition (InAs)
Confinement quantique et effets à un électron
II. Calcul et discussion des spectres de conductanceLa méthode des liaisons fortes
Modèle capacitif / Calcul auto-cohérent
Les nanocristaux d’InAs : Transport combiné électrons-trous
• Plan de l’exposé
I. La spectroscopie tunnel des nanocristaux desemiconducteurs
I. La spectroscopie tunnel des nanocristaux desemiconducteurs
Spectre d’excitation (CdSe)
Spectre d’addition (InAs)
Confinement quantique et effets à un électron
II. Calcul et discussion des spectres de conductanceLa méthode des liaisons fortes
Modèle capacitif / Calcul auto-cohérent
Les nanocristaux d’InAs : Transport combiné électrons-trous
pointe substrat
εf εf − eV
Electrodes métalliques pointe/substrat
• Confinement quantique
Augmentation de la bande interdite des nanocristauxlorsque leur taille diminue.
Séparation des niveaux électroniques, qui forment un spectre discret.
nanocristal
Barrières tunnel
Eg
Bandesde
valence
Bandede
conduction
pointe substratnanocristal
εf εf − eV
• Confinement quantique
En injectant des électrons sur les niveaux de bande de conduction du nanocristal.
En retirant des électrons aux niveaux de bande de valence du nanocristal, i.e. en injectant des trous.
Le courant circule :
V
I
+ ++ ++
+++
++
• Effets à un électron
1 e-2 e-
Interaction d’un électron avec ses propres charges de polarisation
« Self-énergie » Σ
Interaction des électrons entre eux...
Energie d’addition U
+ ++ ++
++
+
+
+
V
I
- -- --
- --
--
• Effets à un électron
1 t+2 t+
Interaction d’un trou avec ses propres charges de polarisation
« Self-énergie » Σ
Interaction des trous entre eux...
Energie d’addition U
- -- --
--
-
-
-
Substrat Or
Nanocristal
• Modèle capacitif
C1
C2
PointeSTM
La pointe est rétractée de sorte que C2 << C1...
V
I
• V > 0 : les électrons transitent dans le nanocristal
pointe substratnanocristal
εf − eV
εf Les électrons sont injectés dans le nanocristal par la pointe pour V > 0.
V > 0
La pointe STM est rétractée de sorte que C2 << C1...
pointe substratnanocristal
εf εf − eV
La pointe STM est rétractée de sorte que C2 << C1 : la plus grande partie du potentiel appliqué V chute entre la pointe et le nanocristal.
• V < 0 : les trous transitent dans le nanocristal
pointe substratnanocristal
εf
εf − eV
La pointe STM est rétractée de sorte que C2 << C1 : la plus grande partie du potentiel appliqué V chute entre la pointe et le nanocristal.
V < 0
Les trous sont injectés dans le nanocristal par la pointe pour V < 0.
• Spectre d’excitation
pointe substratnanocristal
εf
εf − eV
Le couplage tunnel nanocristal-substrat est plus importantque le couplage tunnel pointe-nanocristal.
Il y a au plus un électron (ou un trou) dans le nanocristal.
V > 0
α∆
∆
α∆
• Spectre d’excitation
G = dI/dV
V
I
V
pointe substratnanocristal
εf εf − eV
α∆’
∆’
α∆’α = 1+C2
C1
• Spectre d’excitation
G = dI/dV
V
I
V
pointe substratnanocristal
εf εf − eV
α∆’
∆’α∆’
α∆
∆α∆Eg
α(Eg+2Σ)
α(Eg+2Σ)
α = 1+C2
C1
E. Bakkers et al., Phys. Rev. B 62, R7743 (2000).
Diamètre 4.5 nm
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux de CdSe
V > 0
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
E. Bakkers et al., Phys. Rev. B 62, R7743 (2000).
Diamètre 4.5 nm
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux de CdSe
V < 0
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
E. Bakkers et al., Phys. Rev. B 62, R7743 (2000).
Diamètre 4.5 nm
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux de CdSe
Eg
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1De 10×
Eg+2Σ
• Spectre d’addition
Le couplage tunnel pointe-nanocristal est plus importantque le couplage tunnel nanocristal-substrat .
Les électrons (les trous) s’accumulent dans le nanocristal.
V > 0
pointe substratnanocristal
εf
εf − eV
• Spectre d’addition
I
V
G = dI/dV
VV > 0
pointe substratnanocristal
εf
εf − eV
α(∆+U)
α(∆+U)
∆
α = 1+C2
C1
• Spectre d’addition
I
V
V
G = dI/dV
A chaque niveau n fois dégénéré du nanocristal sont associées n marchessuccessives dans la caractéristique I(V) séparées par αU.
• Spectre d’addition
G = dI/dV
V
I
V
V < 0
pointe substratnanocristal
εf εf − eV
α = 1+C2
C1
∆
α(∆+U
)α(∆+U
)
αU
αU
αU
αU
• Spectre d’addition
G = dI/dV
V
I
V
pointe substratnanocristal
εf εf − eV
Eg
α(Eg+2Σ)
α(Eg+2Σ)
α = 1+C2
C1
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux d’InAs
U. Banin et al., Nature 400, 542 (1999).
Eg+2Σ U∆BV+U
∆BC+U
Diamètre 6.4 nm
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
∆BC
V > 0
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux d’InAs
U. Banin et al., Nature 400, 542 (1999).
Eg+2Σ U∆BV+U
∆BC+U
Diamètre 6.4 nm
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
∆BV
V < 0
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux d’InAs
U. Banin et al., Nature 400, 542 (1999).
Eg+2Σ U∆BV+U
∆BC+U
Diamètre 6.4 nm
Eg
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux d’InAs
La structure du spectre est toujours sensiblement la même à polarisation positive.
U. Banin et al., Nature 400, 542 (1999).
• Spectroscopie tunnel des nanocristaux d’InAs
U. Banin et al., Nature 400, 542 (1999).
Interprétation controversée àpolarisation négative :Interprétation controversée àpolarisation négative :
La multiplicité du premier groupe de pics diffère d’un nanocristal à l’autre, et est parfois impaire !..
Interprétation controversée àpolarisation négative :
La multiplicité du premier groupe de pics diffère d’un nanocristal à l’autre, et est parfois impaire !..
La séparation entre les deux groupes de pics est loin d’être toujours évidente...
Interprétation controversée àpolarisation négative :
La multiplicité du premier groupe de pics diffère d’un nanocristal à l’autre, et est parfois impaire !..
La séparation entre les deux groupes de pics est loin d’être toujours évidente...
La valeur de ∆BV déduitedes expériences de spectro-scopie tunnel semble élevée...
Objectifs : Objectifs : Affiner l’interprétation des expériences de spectroscopie tunnel en menant un calcul aussi complet que possible des spectres de conductance.
Objectifs : Affiner l’interprétation des expériences de spectroscopie tunnel en menant un calcul aussi complet que possible des spectres de conductance.Proposer des repères pour l’interprétation des expériences de spectroscopie tunnel futures.
• Plan de l’exposé
I. La spectroscopie tunnel des nanocristaux desemiconducteurs
Spectre d’excitation (CdSe)
Spectre d’addition (InAs)
Confinement quantique et effets à un électron
II. Calcul et discussion des spectres de conductanceLa méthode des liaisons fortes
Modèle capacitif / Calcul auto-cohérent
Les nanocristaux d’InAs : Transport combiné électrons-trous
• Les enjeux
Calcul précis de la structure électronique de nanocristaux dont le diamètre est compris entre 2 et 15 nm environ.
ab-initio LDA
k·p
Pseudopotentiels
Liaisons fortesMét
hode
sse
mi-e
mpi
rique
s
Précision ?Pour appliquer les liaisons fortes jusqu’à 15 nm :Pour appliquer les liaisons fortes jusqu’à 15 nm :
Amélioration de la qualité des modèles de liaisons fortes.Pour appliquer les liaisons fortes jusqu’à 15 nm :
Amélioration de la qualité des modèles de liaisons fortes.Développement de techniques numériques adaptées.
2 5 10 15Diamètre des nanocristaux
nm
• Les enjeux
Développer un outil de simulation qui permette de calculer les spectres de conductance à partir de la géométrie de la structuredouble jonction tunnel.
• La méthode des liaisons fortes semi-empirique
Les états propres des nanocristaux sont recherchés sous la formed’une combinaison linéaire d’orbitales atomiques (s, p...).Les éléments de matrice entre ces orbitales atomiques sontajustés pour reproduire au mieux la structure de bandes du matériau massif.Le potentiel à l’intérieur des nanocristaux ressemble à celui dumatériau massif ⇒ Les paramètres de liaisons fortes sont transférés aux nanocristaux, auxquels on applique des conditions aux limites appropriées.
Une bonne description du matériau massif et des conditions aux limites est nécessaire
pour calculer la structure électronique des nanocristaux avec précision.
• Structure de bandes d’InAs massif
Les paramètres de liaisons fortes (LF) sont ajustés sur les énergies de bandes (LDA)...
Γ ΓX W L K X
-10
-5
0
5
10
Ene
rgie
(eV
)
LF sp3
LDA
Exp. LFMasse effective BCm* 0.023 0.023 m0
Paramètres de Luttinger BVγ1 19.70 19.50γ2 8.40 8.42γ3 9.28 9.20
Les paramètres de liaisons fortes (LF) sont ajustés sur les énergies de bandes (LDA)... et sur les masses effectivesexpérimentales (Exp.) de bandes de valence (BV) et de conduction (BC).
• Structure électronique des nanocristaux
Les méthodes de diagonalisation « standard », qui permettent decalculer l’ensemble du spectre de l’Hamiltonien, ne sont pasadaptées au problème.
Calcul de la structure électronique de nanocristaux saturés par l’hydrogène.
Nous ne cherchons que quelques états propres de l’Hamiltonien du nanocristal au voisinage de la bande interdite...
Un nanocristal de 15 nm de diamètre contient (environ) 100 000atomes et la dimension de son Hamiltonien est 800 000...
• Structure électronique des nanocristaux
Les états propres de l’Hamiltonien H du nanocristal sont recherchés avec la méthode du spectre replié :
Calcul de la structure électronique de nanocristaux saturés par l’hydrogène.
R(ψ) = ⟨ ψ | (H−σI)2 | ψ ⟩
⟨ ψ | ψ ⟩
Les minima de R(ψ) sont vecteurs propres de H pour la valeur propre la plus proche de σ.
• Structure électronique des nanocristaux
nanocristal
Bandesde
valence
Bandede
conduction
σ
En plaçant σ dans la bande interdite près des bandes devalence du matériau massif...
En plaçant σ dans la bande interdite près des bandes devalence du matériau massif, nous avons directementaccès au premier niveau de bande de valence du nanocristal.
• Structure électronique des nanocristaux
nanocristal
Bandesde
valence
Bandede
conductionσ
En plaçant σ dans la bande interdite près de la bande deconduction du matériau massif...
En plaçant σ dans la bande interdite près de la bande deconduction du matériau massif, nous avons directement accès au premier niveau de bande de conduction du nanocristal.
• Structure électronique des nanocristaux
R(ψ) est minimisé avec une méthode de gradients conjugués.
Le second vecteur propre est recherché dans le sous-espace orthogonal au premier, etc...
Les états propres de l’Hamiltonien H du nanocristal sont recherchés avec la méthode du spectre replié :
Calcul de la structure électronique de nanocristaux saturés par l’hydrogène.
R(ψ) = ⟨ ψ | (H−σI)2 | ψ ⟩
⟨ ψ | ψ ⟩
Les minima de R(ψ) sont vecteurs propres de H pour la valeur propre la plus proche de σ.
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 51.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Diamè tre (nm)
Band
e in
terd
ite (e
V) LF sp3
LF sp3d5s*
LDAPseudopotentiels
• Nanocristaux de silicium
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Ene
rgie
(eV
)
εf εf − eV
pointe substratnanocristal
• Structure électronique des nanocristaux d’InAs
x (nm)
z (n
m)
ε(1Se) = 0.848 eV
1Se 2×
Diamètre 6.4 nm
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Ene
rgie
(eV
)
εf εf − eV
pointe substratnanocristal
• Structure électronique des nanocristaux d’InAs
ε(1Pe) = 1.120 eV
x (nm)
z (n
m)
Diamètre 6.4 nm
1Pe 6×
1Se 2×
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Ene
rgie
(eV
)
εf εf − eV
pointe substratnanocristal
• Structure électronique des nanocristaux d’InAs
ε(1BV) = -0.105 eV
x (nm)
z (n
m)
Diamètre 6.4 nm
1BV 4×
1Pe 6×
1Se 2×
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Ene
rgie
(eV
)
εf εf − eV
pointe substratnanocristal
• Structure électronique des nanocristaux d’InAs
ε(2BV) = -0.120 eV
x (nm)
z (n
m)
Diamètre 6.4 nm
1Pe 6×
1Se 2×
4×2BV
1BV 4×
• Bande interdite des nanocristaux d’InAs
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
Eg
2 3 4 5 6 7 80.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Diamè tre (nm)
Band
e in
terd
ite (e
V) LF sp3
Zone sans courant STM
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Bande interdite (eV)
Ecar
t (eV
)
∆BC LF sp3
Ecart STM V > 0∆
BV LF sp3
Ecart STM V < 0
• Ecarts entre les niveaux électroniques
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
∆BC
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
∆BC
∆BV
• Calcul de la caractéristique I(V)
Modèle pour lastructure électronique
Modèle pour lepotentiel électrostatique
Théorie orthodoxe
I(V)
Deux méthodes :Deux méthodes :Modèle capacitif (Liaisons fortes + capacités ajustables).
Deux méthodes :Modèle capacitif (Liaisons fortes + capacités ajustables).Modèle auto-cohérent, pour une géométrie réaliste.
• Méthode 1 : Modèle capacitif
Inconvénient : difficile de savoir si les capacités C1 et C2sont compatibles avec la géométrie du dispositif.
C1 et C2 sont ajustéespour reproduire au mieux la caractéristique I(V) expérimentale.
Structure électroniquecalculée avec la méthode des liaisonsfortes.
PointeSTM
V
Substrat Or
INanocristal
C1
C2
• Méthode 2 : Calcul auto-cohérent
x (nm)
z (n
m)
Calcul auto-cohérent du potentiel électrostatique etdes fonctions d’onde du nanocristal pour une
configuration pointe-nanocristal-substrat donnée.
PointeSTM
Substrat Or Hexanedithiol
Trioctylphosphine
NanocristalInAs
Diamètre ~ 6.4 nm
Calculer le potentielélectrostatique V(r) à
partir de la densité ρ(r).
Construire et diagonaliserl’Hamiltonien H.
Calculer lanouvelle densité ρ’(r).
ρ’(r) = ρ(r) ?
Calculer les données pour I(V).
non
oui
ρ(r)
= αρ’
( r)+
(1−α
) ρ( r
)
• Méthode 2 : Calcul auto-cohérent
Calculer le potentielélectrostatique V(r) à
partir de la densité ρ(r).
Construire et diagonaliserl’Hamiltonien H.
Calculer lanouvelle densité ρ’(r).
ρ’(r) = ρ(r) ?
Calculer les données pour I(V).oui
non
ρ(r)
= αρ’
( r)+
(1−α
) ρ( r
)
La densité de charges ρ(r) est calculée à partir des fonctionsd’onde des niveaux occupés par les électrons et les trous.
Le calcul est répété pour différents points de polarisation et différents étatsde charge du nanocristal ; lesrésultats sont interpolés entreles points de polarisation successifs.
Calculer le potentielélectrostatique V(r) à
partir de la densité ρ(r).
Construire et diagonaliserl’Hamiltonien H.
Calculer lanouvelle densité ρ’(r).
ρ’(r) = ρ(r) ?
Calculer les données pour I(V).
non
oui
ρ(r)
= αρ’
( r)+
(1−α
) ρ( r
)
• Méthode 2 : Calcul auto-cohérent
Résolution de l’équation de Poisson :
∇[ε(r) ∇V(r)] = −4πρ(r)
Calcul de la constante diélectrique des nanocristaux.
• Méthode 2 : Calcul auto-cohérent
x (nm)
z (n
m)
V (V)
Résolution de l’équation de Poisson avec une méthode de différences finies.
Potentiel électrostatique dans lenanocristal vide pour V = 1 V
1.5 2 2.5 3 3.5 44
5
6
7
8
9
Bande interdite (eV)
Con
stan
te d
iéle
ctri
que ε
in∞
• Constante diélectrique des nanocristaux d’InAs
L’Hamiltonien H est diagonalisé dans la base formée par les NBC premiersétats de bande de conductionet les NBV premiers états debande de valence du nanocristal isolé.
• Méthode 2 : Calcul auto-cohérent
Calculer le potentielélectrostatique V(r) à
partir de la densité ρ(r).
Construire et diagonaliserl’Hamiltonien H.
Calculer lanouvelle densité ρ’(r).
ρ’(r) = ρ(r) ?
Calculer les données pour I(V).
non
oui
ρ(r)
= αρ’
( r)+
(1−α
) ρ( r
)
• Méthode 2 : Calcul auto-cohérent
3 électrons, V = 1 V
x (nm)
z (n
m)
3 trous, V = -1 V
x (nm)
z (n
m)
Susbtrat Or
Pointe STM
Densités auto-cohérentes d’électrons et de trous.Densités auto-cohérentes d’électrons et de trous.Les électrons (V > 0) et les trous (V < 0) sont
localisés près du substrat.
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Bande interdite (eV)
U (e
V)
U calculéU STM
• Energies d’addition
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
Capacités C1, C2 ajustées :C1 = 1.44 aFC2 = 0.16 aF
(U = 100 meV)
Bon accord entre les spectres calculés et le spectre expérimental...
Couplages tunnel pointe-nanocristal et nanocristal-substrat du même ordre.
Bon accord entre les spectres calculés et le spectre expérimental...mais interprétation différente !
• Transport combiné électrons-trous
pointe substratnanocristal
εf
εf − eV
pointe substratnanocristal
εf
εf − eV
+U
Le transport d’électrons ou de trous seuls n’est garanti que si e|V| < Eg.
Eg
Eg
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-2
-1.5-1
-0.50
0.51
1.52
2.5
V (V)
I (nA
)Courant totalCourant d'é lectronsCourant de trous
Courants au travers de la jonction nanocristal-substrat
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Transport combiné électrons-trous à polarisation positive ou négative élevée.
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
« Pics d’excitation » : « Pics d’excitation » : Bien que le nanocristal puisse contenir jusqu’àdeux électrons, il n’en contient parfois qu’un ou même zéro...
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
1Se
1Pe
1BV
2BV
εf − eV
εf
pointe substratnanocristal
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
• Résultats nanocristal InAs (diamètre 6.4 nm)
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
V (V)
G =
dI/
dV (u
.a.)
X1 X2
X1 X2
Expérimental
Auto-cohérent
C1, C2 ajustées
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
Eg
Eg+2Σ ∆BC+U∆BV+U
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
∆BC
pointe substratnanocristal
1Pe 6×1Se 2×
1BV 4×
4×2BV
∆BV
La mesure de ∆BV est impossible.
• Conclusions
Calcul de la structure électronique de nanocristaux comprenant plus de 100 000 atomes (diamètre 15 nm) avec une méthode de liaisons fortes semi-empirique.
Calcul auto-cohérent des spectres de conductance tunnel avec cette méthode de liaisons fortes.
Mise en évidence du transport combiné électrons-trous : le transport d’électrons ou de trous seuls n’est garanti que sie|V| < Eg (bande interdite du nanocristal).
Interprétation affinée des spectres de conductance tunnel mesurés par U. Banin et al. sur des nanocristaux d’InAs.
• Perspectives
Application du modèle à d’autres dispositifs :
Application à la spectroscopie tunnel d’autres matériaux :
Calcul auto-cohérent de la structure électronique de nanocristauxde GaN en tenant compte des champs internes (en cours…).
Application à la spectroscopie tunnel d’autres matériaux :CdSe (en cours…)
Application à la spectroscopie tunnel d’autres matériaux :CdSe (en cours…)Si, PbS...
Application du modèle à d’autres dispositifs :Transistor à un électron (optimisation de la géométrie pourun fonctionnement à température ambiante...).
Application du modèle à d’autres dispositifs :Transistor à un électron (optimisation de la géométrie pourun fonctionnement à température ambiante...).Composants « moléculaires » dans lesquels le nanocristal est remplacé par une molécule.
Application du modèle à d’autres dispositifs :Transistor à un électron (optimisation de la géométrie pourun fonctionnement à température ambiante...).Composants « moléculaires » dans lesquels le nanocristal est remplacé par une molécule.Boîtes quantiques couplées.
Amélioration du modèle :Amélioration du modèle :Calcul des couplages tunnel...
Yann Michel Niquet1,2*, C. Delerue1, G. Allan1 et M. Lannoo3
1 IEMN-ISEN, Villeneuve d’Ascq, France.2 UCL-PCPM Louvain-La-Neuve, Belgique.
3 L2MP, Marseille, France.
Etude des propriétés de transport denanostructures de semiconducteurs