Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article dresse un panorama de la modélisation théorique et de la simulation des phénomènes de transport quantique en nanosciences. Cette approche est conduite à travers quelques concepts clés de la mécanique quantique qui régissent le comportement des électrons dans les systèmes de basse dimensionnalité et d'où émergent les caractéristiques des dispositifs ultimes de la microélectronique. Après des notions générales sur la structure électronique des matériaux, sont présentés les différents niveaux de modélisation du transport électronique et leur domaine de validité. La théorie du transport quantique est abordée de manière intuitive grâce à la notion de propagation des paquets d'ondes, puis implémentée dans la simulation des nanotransistors. Cette contribution vise à donner un éclairage sur les progrès de la simulation quantique, qui permettent maintenant des études réellement comparatives avec les expériences et orientent les choix technologiques pour le développement d'une nanoélectronique.
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This article provides an overview of the theoretical modeling and simulation of quantum transport phenomena in nanoscience. This approach is conducted via certain key concepts of quantum mechanics that govern the behavior of electrons in low-dimensional systems and provide the characteristics of ultimate microelectronics devices. After having presented general notions on the electronic structure of materials, this article focuses on the different levels of modeling of electron transport and their scope of validity. The theory of quantum transport is approached intuitively through to the notion of wave packet propagation and then implemented in the simulation of nanotransistors . This contribution aims at highlighting the progress of quantum simulation , which now allow for truly comparative studies with experiments and guide technological choices for the development of nanoelectronics.
Auteur(s)
INTRODUCTION
Avec la réduction de taille des transistors et l'apparition de nouveaux nanomatériaux susceptibles d'être utilisés comme dispositifs électroniques, les effets quantiques deviennent prépondérants dans les propriétés de conduction électrique. La simulation de ces effets nécessite une approche multi-échelle combinant une description précise de la structure électronique des matériaux avec une modélisation quantique des processus de transport. Il s'agit d'un enjeu majeur pour la compréhension et l'utilisation des nanomatériaux.
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Présentation
Les niveaux de modélisation du transport électronique
En anglais
1. Introduction
Stephan ROCHE Ingénieur de recherche CEA-DSM-INAC – Grenoble.
François TRIOZON Ingénieur de recherche CEA-LETI-MINATEC – Grenoble.
Ces dernières années ont été jalonnées par des résultats expérimentaux marquants concernant certaines briques de bases, fondamentales pour les nanosciences. Des nano-objets tels que les nanotubes de carbone ou les nanofils semi-conducteurs ont continué à apporter de nombreuses surprises, tandis qu'un nouveau matériau, le graphène, a pu être synthétisé. L'exploration des nanosciences est rendue possible par des techniques de caractérisation fines telles que les microscopies en champs proches (STM : Scanning Tunneling Microscopy, AFM : Atomic Force Microscopy,...). Toutefois l'analyse des reconstructions atomiques de surface, des nanostructures organiques ou inorganiques déposées, et des auto-assemblages supra-moléculaires ne peut se faire convenablement sans un outil de simulation à même de révéler les propriétés électroniques sous-jacentes des systèmes et objets observés.
Comprendre et contrôler le transport électronique à travers un nano-objet unique représentent un des enjeux majeurs de l'électronique moléculaire. Les molécules et les nano-objets offrent d'abord la perspective de disposer de vrais dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique à même de concurrencer à terme les circuits basés sur les matériaux semi-conducteurs (silicium). Les transistors à base de nanotubes de carbone en sont un des exemples les plus avancés. Mais les molécules constituent surtout une nouvelle classe de conducteurs quantiques qui, sous plusieurs aspects, s'apparentent aux boîtes quantiques notamment par la présence de niveaux d'énergie discrets dus au confinement électronique, par l'influence du blocage de Coulomb sur le transport et par l'importance des effets de spin comme l'effet Kondo. Alors que les structures semi-conductrices peuvent être contrôlées par le « design », les molécules uniques sont modifiables grâce à la richesse et la versatilité des réactions chimiques.
Dans la présente contribution, nous allons dans un premier temps rappeler un certain nombre de concepts fondamentaux des propriétés électroniques et du transport de charge. Nous aborderons les approches semi-classiques et quantiques du transport en mettant également l'accent sur les aspects théoriques et sur...
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Introduction
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MESSIAH (A.) - Mécanique quantique - Dunod (1995).
-
(2) - COHEN-TANOUDJI (C.) et al - Mécanique quantique - Hermann (1997).
-
(3) - ASHCROFT (N.W.), MERMIN (N.D.) - Solid State Physics - Brooks Cole (1976).
-
(4) - KITTEL (C.) - Physique de l’état solide - Dunod (1983).
-
(5) - HOHENBERG (P.), KHON (W.), SHAM (L.J.) - Inhomogeneous Electron Gas - Physical Review, vol. 136, pages B864-B871 (1964) ; Self-consistent Equations Including Exchange and Correlation Effets. Physical Review, vol. 140, pages A1133-A1138 (1965).
-
(6) - GONZE (X.) et al - First-principles computation of material properties : the ABINIT software project - Computational Materials Science, vol. 25, pages 478-492 (2002).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
SIESTA : code ab initio DFT utilisant des bases d’orbitales atomiques localisées
TB_sim : code « liaisons fortes » développé au CEA Grenoble. Il calcule les propriétés structurales, électroniques, optiques et de transport de charge des nanostructures telles que les nanotubes de carbone, le graphène, les nanocristaux et nanofils semi-conducteurs
http://inac.cea.fr/L_Sim/TB_Sim/index.html
ABINIT : code ab initio DFT utilisant des bases d’ondes planes
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