Phénomènes de transport : contribution de l'approche ab initio et applications

par Martin Vérot

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Vincent Robert.

Soutenue le 03-07-2013

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....) , en partenariat avec Laboratoire de chimie. Lyon (2003-….) (laboratoire) .

Le président du jury était Marie-Laure Bocquet.

Le jury était composé de Vincent Robert, Marie-Laure Bocquet, Cyrille Barreteau, Xavier Blase, Sergueï Borchtch, Laurent Limot.

Les rapporteurs étaient Cyrille Barreteau, Xavier Blase.

mots clés

• Magnétisme
• Tenseur g
• Constante d'échange magnétique
• Spintronique
• Radicaux organiques
• Méthodes post Hartree-Fock
• Multifonctionnalité
• Jonction moléculaire
• Électronique moléculaire
• Hamiltonien effectif
• Magnétisme
• Aimantation
• Spintronique
• Radicaux (chimie)
• Électronique moléculaire

Résumé

Dans une première partie, nous avons étudié quelques propriétés de molécules magnétiques impliquant des radicaux organiques (seuls ou conjointement avec des terres rares). Nous avons ainsi pu interpréter l'évolution de la susceptibilité magnétique et de l'aimantation en fonction de la température en évaluant par des approches ab initio fonctions d'onde les constantes d'échange ou le tenseur g au sein de ces matériaux. De plus, nous avons chercher à définir les conditions pour que des matériaux à base de radicaux organiques présentent simultanément des propriétés magnétiques et conductrices. Nous avons ainsi examiné différentes familles de composés et l'influence de la structure géométrique et chimique des radicaux organiques utilisés. Pour cette partie, nous avons extrait les intégrales physiques pertinentes par la méthode des Hamiltoniens effectifs.Dans une deuxième partie, nous avons utilisés ces quantités physiques (intégrale de saut, répulsion sur site, échange) pour décrire le phénomène de transport dans des jonctions pour lesquelles les effets de la corrélation électronique ne peuvent être écartés. Munis de ces paramètres ab initio, nous avons développé un modèle phénoménologique permettant de décrire la conduction moléculaire à l'aide d'un jeu d'équations maîtresses. Nous avons ainsi cherché à mettre en évidence l'intérêt des approches post Hartree-Fock empruntant une fonction d'onde corrélée et de spin adapté dans la description du transport électronique. Que ce soit dans le cas de transport polarisé en spin ou non, l'approche utilisée (mono ou multi-déterminentale) conditionne qualitativement et quantitativement la caractéristique courant/tension.

mots clés

• Magnetism
• G-tensor
• Magnetic exchange constant
• Spintronic
• Organic radicals
• Post Hartree-Fock methods
• Multifunctionality
• Molecular junction
• Molecular electronics
• Effective hamiltonian

Titre traduit

Transport phenomenon : contribution of ab initio calculations and applications

Résumé

In a first part, we studied the magnetic properties of organic radicals (coupled with rare earth or between each other). We calculated the magnetic exchange and the g-tensor of these compounds to understand their magnetic susceptibility and thei magnetization curves via ab initio calculations based on the wave-function. We studied how the chemistry and the crystal stacking affect meaningful parameters linked to magnetism and conduction. Those parameters were extracted with the thory of effective Hamiltonians fo various families of organic radicals. From the observed trends for the different parameters, we predicted some ways to obtain multifunctional compounds. In a second part, we used the same parameters (hoping integral, coulombic repulsion, magnetic exchange) to describe transport properties through highly correlated molecular junctions. From the ab initio parameters, we developed a phenomenological model based on master equations to describe the electronic transport. We stressed the importance of a multiconfigurational description to reproduce properly the transport properties for spin unpolarized and spin polarized situations. In both cases, the mono- or multi-configurational description affects qualitatively and quantitatively the predicted conductance curve.