Études théoriques de l'effet de couplage électron-phonon sur les propriétés de transport dans les nanofils de silicium

par Wenxing Zhang

Thèse de doctorat en Micro et nano technologies, acoustique et télécommunications

Sous la direction de Guy Allan, Enge G. Wang et de Christophe Delerue.

Soutenue le 15-05-2009

à Lille 1 en cotutelle avec l'University of Chinese academy of sciences .


  • Résumé

    La structure électronique, le spectre de phonons et les effets du couplage électron-phonon (e-p) sur les propriétés de transport de nanofils de Si (SiNW) ont été étudiés systématiquement sur la base de calculs en liaisons fortes et en champ de forces de valence. La structure électronique des nanofils dépend de leur orientation et de leur diamètre, changeant d’une bande interdite directe à indirecte. La largeur de bande interdite décroît et tend vers celle du Si massif quand le diamètre croît. Les spectres de phonons dépendent également de l’orientation et du diamètre. Ils présentent quatre modes acoustiques ce qui est typique des systèmes unidimensionnels. La mobilité et le temps de vie des électrons dans des nanofils orientés [110] ont été calculés. Les calculs confirment qu’à température ambiante les propriétés de transport dans les SiNWs dépendent fortement de la diffusion par les phonons, impliquant à la fois des modes acoustiques et optiques tous dérivant des modes acoustiques du Si massif. La mobilité augmente et tend vers celle du massif quand le diamètre augmente, et elle décroît quand la température passe de 77K à 300K. La relation entre la mobilité et la densité de porteurs est plus complexe. Pour des densités inférieures à 10 19 cm-3, la mobilité est pratiquement constante car elle ne dépend pas de la position du niveau de Fermi. Pour des densités supérieures, la mobilité dépend très fortement de la densité de porteurs car le niveau de Fermi est suffisamment haut pour croiser le minimum de bande de conduction et le transport multi-bandes devient important. Un autre travail entrepris dans la thèse a concerné la modélisation en liaisons fortes et en fonctions de Green hors équilibre du transport balistique dans des hétérojonctions de nanotubes de carbone (n1,m1)/(n2,m2)/(n1,m1). La conductance des jonctions semiconductrices décroît exponentiellement quand la longueur du nanotube (n2,m2) augmente. Cependant la conductance de (12,0)/(9,0)/(12,0) augmente avec la longueur du nanotube (9,0). Cet accroissement anormal de la conductance est expliqué par l’évolution du potentiel. De plus, la relation entre la conductance et la symétrie de rotation dans les jonctions métalliques est étudiée. Un comportement universel de conductance est démontré et est interprété par la différence de phase des électrons qui traversent deux interfaces de la jonction. Finalement, la conductance balistique de multi-jonctions est étudiée et la possibilité de réaliser des composants basés uniquement sur des nanotubes de carbone est proposée.

  • Titre traduit

    Theoretical studies of electron-phonon coupling effect in transport properties of silicon nanowires


  • Résumé

    In this thesis, the electronic structure, the phonon spectrum, and the electron-phonon (e-p) coupling effect in transport properties of Silicon Nanowires (SiNW) have been studied systematically based on Tight-Binding (TB) model and Valence-Force-Field (VFF) model. The electronic structure of SiNW is strongly dependent on the orientation and the diameter, even changing from direct gap to indirect gap, and the gap of SiNWs decreases and tends to the bulk value as the diameter increases. The phonon spectra are also dependent on the orientation and the diameter. It’s a character of nanowires that there are four acoustic phonon modes. Based on the calculation of both low field mobility and lifetime of electrons in SiNWs along [110], it’s confirmed that at room temperature the transport of carriers in SiNWs strongly depends on the phonon scattering, involving both optical phonons and acoustic phonons. The mobility increases and tends to the bulk value when the diameter increases. The mobility decreases in power law when the temperature increases from 77K to 300K. The relationship between the mobility and the density of carrier is more complicated. For low density of carrier (<10 19/cm3), the mobility is almost constant because it is approximately independent on the Fermi level at low concentration. For higher concentration, the mobility is strongly dependent on the density of carrier because the Fermi level is high enough to cross the conduction band edge (CBE) and multi-band transport becomes important. In a second study undertaken in this thesis, TB model and Nonequilibrium Green's Function (NEGF) are used to calculate the ballistic transport properties of carbon nanotube (CNT) heterojunctions (n1,m1)/(n2,m2)/(n1,m1). The conductance of semiconducting junctions decreases exponentially when the length of the middle CNT (n2,m2) increases. However, the conductance of (12,0)/(9,0)/(12,0) increases when the length of the CNT (9,0) increases. This anomalous increase of conductance is explained and reproduced very well by an exponentially dropped potential. Furthermore, the relationship between the conductance and the rotation symmetry in metallic jonctions is studied. The conductance spectra change periodically, and there are three different spectra at most for a special type of jonction. This universal behavior of conductance can be well understood by the phase difference of electrons, which travel through two interfaces of a junction. Finally, the ballistic conductance of multi-Iead junctions is studied and the possibility of making pure CNT electronic device is revealed.


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Informations

  • Détails : 1 vol.(vi-109 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 93-108. 211 réf. Liste des publications

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  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2009-29
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