Propriétés de Transport Électronique de Nanotubes de Carbone Remplis de Particules Magnétiques PDF Download
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Author: Subhadeep Datta
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Carbon Nanotubes at low temperature behave as Quantum Dots for which charging processes become quantized, giving rise to Coulomb Blockade depending upon the coupling to the leads. Any small change in the electrostatic environment (tuned by the gate electrode) can induce shift of the stability diagram (so called Coulomb Diamonds) of the device, leading to conductivity variation of the Quantum Dot. A carbon nanotube can therefore be a very accurate electrometer. For example, if a magnetic system is electronically coupled to a nanotube, its electron conduction may be influenced by the spin state of the magnetic system (magneto- Coulomb effect). In this thesis, we report on the electrical transport measurements of such hybrid systems where a carbon nanotube is filled with magnetic nanoparticles such as Iron(Fe). We find that low-temperature (~40mK) current-voltage measurements of such devices can show a hysteretic behaviour in conductance with sharp jumps at certain magnetic fields. We explain the results in terms of the magneto-Coulomb effect where the spin flip of the iron island at non-zero magnetic field causes an effective charge variation in the Nanotube due to the Zeeman energy. Our studies are a step forward towards the study of the magnetic anisotropy of individual nanoparticles. We believe our findings have important implications for sensitive magnetic detectors to study the magnetization reversal of individual magnetic nanoparticle or molecule, even weakly coupled to a carbon nanotube.
Author: Subhadeep Datta
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Carbon Nanotubes at low temperature behave as Quantum Dots for which charging processes become quantized, giving rise to Coulomb Blockade depending upon the coupling to the leads. Any small change in the electrostatic environment (tuned by the gate electrode) can induce shift of the stability diagram (so called Coulomb Diamonds) of the device, leading to conductivity variation of the Quantum Dot. A carbon nanotube can therefore be a very accurate electrometer. For example, if a magnetic system is electronically coupled to a nanotube, its electron conduction may be influenced by the spin state of the magnetic system (magneto- Coulomb effect). In this thesis, we report on the electrical transport measurements of such hybrid systems where a carbon nanotube is filled with magnetic nanoparticles such as Iron(Fe). We find that low-temperature (~40mK) current-voltage measurements of such devices can show a hysteretic behaviour in conductance with sharp jumps at certain magnetic fields. We explain the results in terms of the magneto-Coulomb effect where the spin flip of the iron island at non-zero magnetic field causes an effective charge variation in the Nanotube due to the Zeeman energy. Our studies are a step forward towards the study of the magnetic anisotropy of individual nanoparticles. We believe our findings have important implications for sensitive magnetic detectors to study the magnetization reversal of individual magnetic nanoparticle or molecule, even weakly coupled to a carbon nanotube.
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Pages : 140
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Je présente dans ce travail de thèse l'étude des propriétés de transport électronique de nanoparticules de FeCo auto-assemblées. Ces nanoparticules, métalliques et ferromagnétiques, sont obtenues par synthèse chimique et stabilisées par des ligands organiques. Deux types de systèmes ont été étudiés : des solides compacts issus directement de la synthèse (auto-assemblage spontané en réseau 3D) et des réseaux 2D obtenus après dépôt d'une solution de particules. Les mesures de magnéto-transport réalisées sur ces deux types d'échantillons nous ont donc permis d'étudier le rôle de la dimensionnalité et du désordre sur les propriétés de conduction. Les deux types de systèmes présentent à basse température un comportement typique du blocage de Coulomb. Quand un champ magnétique est appliqué, deux régimes de magnétorésistance (MR) sont observés : - Entre 1.8 K et 10 K, des effets magnétorésistifs apparaissent pour des valeurs de champ magnétique supérieures au champ de saturation magnétique des particules. Un modèle phénoménologique basé sur la présence d'impuretés paramagnétiques localisées dans la barrière a été développé afin de reproduire les propriétés de cette MR. - En dessous de 1.8 K, cette MR à fort champ disparaît et une MR classique reliée à l'aimantation des particules est mesurée. Enfin, des effets collectifs ont été observés sur certains échantillons. Ils se manifestent sur le transport électronique par des transitions hystérétiques entre deux modes de conduction distincts. L'application d'un champ magnétique induit la transition entre ces deux régimes. Dans des conditions optimisées, cette transition se révèle réversible, donnant lieu à un nouveau type de MR.
Author: Jean-Pierre Cleuziou
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Pages : 228
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L'électronique moléculaire et la spintronique moléculaire sont deux domaines émergeant de la nanophysique, prometteurs pour réaliser de nouveaux types de dispositifs utiles tant pour le stockage d'information que pour l'information quantique. Ce travail de thèse a pour objet de contribuer à ces deux domaines de recherche par la réalisation de jonctions moléculaires à base de nanotubes de carbone, faisant intervenir des nanostructures magnétiques. Nous avons choisi deux approches: (i) le transport électronique à travers des nanotubes de carbone remplis de materiaux magnétiques (nanotubes hybrides) et (ii) le développement du « nano-SQUID » composé de jonctions supraconductrices à nanotube de carbone. Ce magnétomètre devrait être suffisamment sensible pour étudier les propriétés magnétiques de molécules individuelles attachées au nanotube de carbone.
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Pages : 175
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Cette thèse a pour objet l'étude du transport électronique dans les nanotubes de carbone grâce à l'utilisation combinée d'un fort champ magnétique (60T) et d'un contrôle électrostatique du dopage électronique. Il s'agit alors de montrer les rôles clés joués par la structure de bande en énergie et par le désordre. Plusieurs types de tubes métalliques de qualité structurale variable ont été étudiés. Selon le rapport entre le libre parcours moyen élastique (le) et la circonférence du nanotube (L), différents régimes apparaissent. Lorsque le
Author: Lamjed Debbichi
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Pages : 212
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Ce travail a pour objectif la compréhension des effets des impuretés sur les propriétés électroniques et de transport électronique des nanotubes de carbones monoparois. Dans la première partie nous avons étudié l'effet du dopage substitutionnel par des atomes de bore, d’azote ou de silicium sur la structure électronique des nanotubes de carbone pour différents diamètres, dans le but de déterminer la dépendance de la réactivité chimique en fonction de la courbure des nanotubes. Puis nous avons étudié la distribution des impuretés en fonction de la chiralité des nanotubes, et le comportement des spectres optiques en fonction du diamètre et de la chiralité des nanotubes en présence d’impuretés. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé le formalisme de la fonction de Green hors-équilibre pour mieux comprendre les propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone. Il s’agit de calculer la conductance électrique d’un nanotube dans lequel est insérée, ou sur lequel est adsorbée, une molécule organique. Pour déterminer l’adsorption de la molécule sur la surface du nanotube, nous avons calculé l’énergie totale en tenant compte des forces de dispersion de van der Waals. Nous avons également étudié l’effet des liaisons chimiques polarisées en spins à l’interface des jonctions Fe(100)- nanotube par contact direct sur les propriétés de conduction des nanotubes zigzag et armchair de différentes tailles.
Author: Wafa Bounour-Bouzamouche
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Les matériaux hybrides nanotubes de carbone remplis par des matériaux ferromagnétiques (NTCFM) présentent un fort potentiel pour des applications en électronique de spin. Leurs propriétés magnétiques dépendent fortement de la qualité de leur synthèse : densité, orientation et efficacité de remplissage. Deux méthodes d'élaboration des (NTC-FM) ont été utilisées : i) synthèse ex-situ après ouverture mécanique des nanotubes élaborés par arc électrique et in-situ pendant la synthèse par arc électrique, ii) synthèse par dépôt vapeur chimique assisté par plasma (PECVD) en présence de catalyseurs Co et Co/Pd. Les deux approches de confinement des nanotubes de carbone avec des métaux ferromagnétiques ont été comparées. La première méthode de synthèse des nanotubes hybrides a montré que l'approche par arc électrique in-situ est plus efficace surtout par l'ajout d'un promoteur comme l'yttrium (Y) et le soufre (S). Les différentes proportions catalytiques au cours de la synthèse ont été variées et leur influence sur la production des nanotubes hybrides étudiée. La qualité et la quantité des nanotubes obtenus ainsi que les rendements disponibles au cours de la synthèse ont été améliorés. La réponse magnétique est également meilleure. La synthèse des nanotubes hybrides par PECVD a révélé que l'adjonction d'une couche de palladium comme catalyseur avec le cobalt conduit à une nette amélioration de la densité, du remplissage et de l'alignement des nanotubes. Les mesures magnétiques ont mis en évidence la contribution d'une anisotropie de forme que l'on peut associer à une meilleure orientation géométrique des nanotubes par rapport au substrat.
Author: Ryuichi Tsuchikawa
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Pages : 126
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We synthesized atomically clean, long ([greater than] 100 [micrometer]) carbon nanotubes, and their chirality was identified by Rayleigh scattering spectroscopy. We introduced potassium atoms on the nanotubes to impose a long-range, Coulomb potential and measured the change in resistivity, excluding the contact resistance, by plotting the resistance as a function of the carbon nanotube length. The flux of potassium atoms coming onto the nanotubes was monitored by quartz crystal microbalance, and the scattering strength of a single potassium atom was deduced from the change in resistivity and the density of potassium atoms on the nanotubes. We found that the scattering strength of potassium atoms on semiconducting nanotubes depends on the charge carrier type (holes or electrons). Metallic nanotubes were found to be less affected by the presence of potassium atoms than semiconducting nanotubes, but the scattering strength showed a large dependence on Fermi energy. These experimental results were compared to theoretical simulations, and we found a good agreement with the experiments. Our findings provide crucial information for the application of carbon nanotubes for electronic devices, such as transistors and sensors.
Author: Rémi Avriller
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Les nanotubes de carbone sont des structures tubulaires obtenues en enroulant une feuille de graphène sur elle-même. La manière d'effectuer cette enroulement détermine la chiralité du tube, ainsi que l'ensemble de ses propriétés électroniques et vibrationnelles. Du fait de la nature ondulatoire de l'électron et de la faible dimensionnalité des nanotubes de carbone, cette structure de bandes est fortement modulée par l'application d'un champ magnétique externe. La présence d'un potentiel de désordre(rupture de l'invariance par translation) ou l'excitation d'un mécanisme d'interaction entre électrons et modes phonons optiques ont aussi des conséquences importantes sur cette structure électronique. L'objectif de cette thèse est de s'intéresser aux propriétés de transport quantique des nanotubes de carbone, propriétés déterminées par la compétition entre interférences quantiques, structure de bandes et mécanismes d'interaction. Pour ce faire, une étude détaillée des nanotubes de carbone désordonnés, dopés à l'azote ou au bore sera menée, étude permettant de modéliser de manière fine le hamiltonien de désordre ainsi que de sonder les lois d'échelles de la conductance. La présence d'un champ magnétique statique et uniforme sera considérée, ainsi que ses conséquences sur les régimes de transport à faible tension de polarisation(formation d'un niveau de Landau et oscillation Aharonov-Bohm). Finalement, nous nous intéresserons au rôle des collisions inélastiques entre électrons et phonons optiques de haute symétrie, sur les propriétés de transport quantique(rôle priviligié lorsque la tension de polarisation franchit un seuil d'excitation inélastique). Du fait de la faible dimensionnalité, l'approximation adiabatique n'est plus valide, et un traitement cohérent dans l'espace de Fock électron-phonon doit être mené. Pour chacune de ces études, un modèle hamiltonien effectif est construit et le problème du transport quantique résolu analytiquement ou numériquement.
Author: Rémi Avriller
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Pages : 219
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Les nanotubes de carbone sont des structures tubulaires obtenues en enroulant une feuille de graphène sur elle-même. La manière d'effectuer cette enroulement détermine la chiralité du tube, ainsi que l'ensemble de ses propriétés électroniques et vibrationnelles. Du fait de la nature ondulatoire de l'électron et de la faible dimensionnalité des nanotubes de carbone, cette structure de bandes est fortement modulée par l'application d'un champ magnétique externe. La présence d'un potentiel de désordre(rupture de l'invariance par translation) ou l'excitation d'un mécanisme d'interaction entre électrons et modes phonons optiques ont aussi des conséquences importantes sur cette structure électronique. L'objectif de cette thèse est de s'intéresser aux propriétés de transport quantique des nanotubes de carbone, propriétés déterminées par la compétition entre interférences quantiques, structure de bandes et mécanismes d'interaction. Pour ce faire, une étude détaillée des nanotubes de carbone désordonnés, dopés à l'azote ou au bore sera menée, étude permettant de modéliser de manière fine le hamiltonien de désordre ainsi que de sonder les lois d'échelles de la conductance. La présence d'un champ magnétique statique et uniforme sera considérée, ainsi que ses conséquences sur les régimes de transport à faible tension de polarisation(formation d'un niveau de Landau et oscillation Aharonov-Bohm). Finalement, nous nous intéresserons au rôle des collisions inélastiques entre électrons et phonons optiques de haute symétrie, sur les propriétés de transport quantique(rôle priviligié lorsque la tension de polarisation franchit un seuil d'excitation inélastique). Du fait de la faible dimensionnalité, l'approximation adiabatique n'est plus valide, et un traitement cohérent dans l'espace de Fock électron-phonon doit être mené. Pour chacune de ces études, un modèle hamiltonien effectif est construit et le problème du transport quantique résolu analytiquement ou numériquement.
Author: Christophe Caillier
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Languages : fr
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Cette thèse a pour objet l'étude des propriétés de transport électronique des nanotubes de carbone soumis à des pressions hydrostatiques de l'ordre du gigapascal. L'originalité de ce travail réside dans le fait d'étudier ces propriétés sur des nanotubes individuels. Ceci permet de simplifier la géométrie du système et de faire apparaître des comportements propres à chaque type de nanotubes. Le cas d'un nanotube multifeuillets composé d'un tube externe à faible bande interdite et d'un tube interne métallique a permis d'observer i) l'évolution sous pression de la barrière de Schottky aux contacts or-nanotube, ii) l'évolution de la résistance inter-feuillet, mettant en évidence une transition associée au changement de section du nanotube, iii) la diminution de l'hystérésis en tension de grille. D'autre part, une étude systématique sur des nanotubes métalliques permet de faire ressortir un comportement général pour le contact or-nanotube sous pression, indépendant de la chiralité du nanotube et du milieu transmetteur de pression. Nombre de ces effets peuvent être utilisés pour des applications électroniques ou électro-mécaniques, tels que des capteurs de pression miniatures et environ dix fois plus sensibles que certains standards actuels. Un modèle simple de calculs par la méthode des liaisons fortes est aussi mis en œuvre afin de prédire l'évolution des propriétés électroniques des nanotubes de carbone sous pression en fonction de leur chiralité. Ce modèle permet de prédire d'autres phénomènes qui pourraient être observés grâce à une étude approfondie et systématique utilisant la méthode expérimentale développée au cours de cette thèse.
