Transport résolu en temps dans les nanodispositifs optoélectroniques quantiques

par Katawoura Beltako

Thèse de doctorat en Micro et nanoélectronique

Sous la direction de Fabienne Michelini et de Nicolas Cavassilas.

Soutenue le 26-10-2018

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) , en partenariat avec Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Dollfus.

Le jury était composé de Jean-François Guillemoles, Adeline Crépieux, Michel Lannoo.

Les rapporteurs étaient Alexandra Olaya-Castro, Didier Mayou.

mots clés

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• Optoélectronique
• Optique quantique électronique
• Transport quantique

Résumé

Les récents progrès en matière de fréquences d’excitation au-delà du gigahertz offrent aujourd’hui la possibilité de sonder la réponse interne d’un système quantique. Résoudre le fonctionnement en temps des futurs composants de la nanoélectronique apparaît aujourd’hui comme le défi majeur de la prochaine avancée en matière de modélisation/simulation. C’est le contexte de cette thèse, qui se concentre sur trois axes. Une première partie sur la méthodologie. Nous avons proposé une technique adaptée à la simulation du transport dépendant du temps dans les nanosystèmes interagissant avec un rayonnement lumineux, en nous appuyant sur l’état de l’art des méthodologies de statistiques quantiques avec une attention particulière au formalisme des fonctions de Green hors-équilibre. La deuxième partie de la thèse est consacrée au développement et à la mise en œuvre d’algorithmes efficaces pour simuler des fonctionnement résolus en temps de nanodispositifs optoélectroniques quantiques. Enfin, cette nouvelle méthode et les algorithmes développés nous ont permis d’étudier les processus de transfert de porteurs dans des nanojonctions moléculaires. Cette étude nous a conduit à l’élucidation d’effets physiques insoupçonnés et à des propositions expérimentales captivantes pour la détermination de caractéristiques quantiques internes de ces nanodispositifs. Ce travail nous fournit un outil précieux pour la simulation du transport quantique ultrarapide. Il donne également un aperçu de la pertinence de la dynamique transitoire dans la compréhension du fonctionnement des nanodispositifs optoélectroniques résolu en temps, et ouvre la voie vers la conception de l’optoélectronique ultrarapide.

mots clés

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Résumé

Recent advances in excitation frequencies beyond gigahertz now offer the ability to probe the internal response of a quantum system. Time dependence in future nanoelectronics has arisen as the major challenge of next advances in device modeling and simulations. Oscillating gate voltages, time-dependent bias but also applied illumination pulses, all are examples of key issues in quantum transport simulations which require novel approaches as well as efficient numerical methods. This is the context of this thesis, which focuses on three areas. A first part concerns the methodology. We proposed a suitable technique for the simulation of time-dependent transport in nano-systems interacting with lightradiation, relying on the state of the art in quantum statistical methodologies, with a special attention to the formalism of non-equilibrium Green’s functions. The second part of the thesis is devoted to the development and implementationof efficient algorithms to simulate time-resolved quantities for quantum optoelectronic nanodevices. Finally, this new method and the developed algorithms have enabled us to investigate carrier transfer processes in molecular nanojunctions. This study led us to the elucidation of unsuspected physical effects and captivating experimental proposals for the determination of internal quantum characteristics of these nanodevices. This work provides us with a valuable toolfor ultrafast quantum transport simulation. It also gives indeed an insight on the relevance of transient dynamics in the understanding of time-resolved optoelectronic nanodevice operations and open avenues towards the design of futureultrafast optoelectronics.