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1 - TRANSPORT ÉLECTRIQUE DANS LES SOLIDES

2 - PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES ÉLECTRONS DE CONDUCTION

3 - TRANSPORT ÉLECTRONIQUE EN CONDITIONS EXTRÊMES

Article de référence | Réf : D2602 v1

Transport électronique en conditions extrêmes
Conduction électrique dans les solides - Transport et propriétés physiques des électrons de conduction

Auteur(s) : Olivier BOURGEOIS, Hervé Guillou

Date de publication : 10 nov. 2011

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RÉSUMÉ

La conduction dans les solides métaux et semi-conducteurs impacte une très large gamme d'applications en microélectronique, thermométrie et métallurgie. Des mécanismes d'origine microscopique ou macroscopique sont responsables du transport électrique dans ces solides et des propriétés physiques associées. La compréhension de ces phénomènes, notamment par approche statistique, est indispensable à l’optimisation de l'utilisation de ces matériaux à toutes températures, jusqu’à des conditions extrêmes. Cet article porte sur l’étude du comportement d'un ensemble de particules chargées mises hors de leur position d'équilibre par l'application d'un champ électrique extérieur. Leur comportement sous l'influence d'un champ magnétique ou d'un gradient de température est également observé.

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Auteur(s)

  • Olivier BOURGEOIS : Docteur en Physique de la matière condensée - Chercheur au Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

  • Hervé Guillou : Docteur en Physique de la matière condensée - Maître de conférences à l'université Joseph Fourier à Grenoble - Chercheur au LIMMS/CNRS-IIS

INTRODUCTION

La conduction dans les solides (métaux, semi-conducteurs) touche une très large gamme d'applications en microélectronique, en thermométrie, ou encore en métallurgie. La compréhension des mécanismes (d'origine microscopique ou macroscopique) responsables du transport électrique dans ces solides et des propriétés physiques associées est un prérequis indispensable pour optimiser l'utilisation de ces matériaux à toutes températures.

Nous allons donc étudier le comportement d'un ensemble de particules chargées mises hors de leur position d'équilibre par l'application d'un champ électrique extérieur. Nous étudions également l'influence d'un champ magnétique ou d'un gradient de température sur leur comportement.

Après avoir introduit et donner les théories élémentaires dans un premier dossier [D 2 601], nous abordons ici les aspects les plus modernes des propriétés de transport des électrons de manière statistique.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d2602


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3. Transport électronique en conditions extrêmes

Dans les deux paragraphes précédents, nous avons décrit la conduction dans des systèmes dits macroscopiques, donc des systèmes tridimensionnels. Nous avons démontré que la loi d'Ohm pour la résistance est valide dans les systèmes massifs. La question que l'on se pose dans ce paragraphe est la suivante : jusqu'à quelle dimension spatiale la loi d'Ohm reste valide et quelles sont les grandeurs physiques caractéristiques régissant des nouveaux régimes de conduction des électrons. En particulier, à basse température dans des conducteurs de dimension nanoscopique ? Nous allons donner les grandes lignes qui permettent de comprendre les nouvelles lois régissant le transport des électrons.

Les grandeurs physiques pertinentes pour décrire le transport des électrons dans des systèmes de basse dimensionnalité et à basse température sont les suivantes :

  • λF la longueur d'onde Fermi associée aux électrons proches du niveau de Fermi, elle est reliée au vecteur d'onde par la relation :

  • le libre parcours moyen élastique des électrons qui traduit la distance moyenne entre deux chocs élastiques ;

  • Lj la longueur de cohérence de phase, distance sur laquelle l'électron a perdu sa mémoire de phase.

Cette longueur est reliée aux chocs inélastiques (changement d'énergie) dus aux interactions électron-électron, électron-phonon, etc., d'où sa forte dépendance en température.

Toutes ces longueurs sont à comparer à la longueur caractéristique du système noté : L (par exemple, sa longueur). Le rapport entre ces différentes longueurs va déterminer dans quel régime de conduction se trouve le système que l'on étudie (tableau 1).

3.1 Transport électrique quantique dans les nanostructures

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KITTEL (C.) -   Introduction à la physique du solide.  -  Dunod (1958).

  • (2) - ASHCROFT (N.), MERMIN (D.) -   Physique des solides.  -  EDP Sciences (2000).

  • (3) - LEVY (L.) -   Magnétisme et Supraconductivité.  -  EDP Sciences (1997).

  • (4) - MOTT (N.), JONES (H.) -   The theory of the properties of metals and alloys.  -  Dover (1958).

  • (5) - ABRIKOSOV (A.) -   Fundamentals of the theory of metals.  -  North Holland (1988).

  • (6) - IMRY (Y.) -   Introduction to mesoscopic physics.  -  Oxfort University Press (2002).

  • (7) - GANG (C.) -   Nanoscale energy transport...

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