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Materials for energy: summary of our work

Our aim is the ab initio description of thermoelectric properties, including the coupling between electronic transport and heat transport.

Our activity involves:

  • The ab initio calculation of the electron-phonon couplig;
  • The study of electronic relaxation in materials and the calculation of lifetimes
  • The study of conventional superconductivity;
  • Thermal and electronic transport in nanostructures;
  • Thermoelectricity in bismuth based materials.

Electron-phonon coupling: summary of our work

Le couplage entre les électrons et les phonons intervient dans de nombreux phénomènes physiques :

  • la relaxation électronique (ou désexcitation électronique);
  • le transport électronique;
  • le transport de chaleur;
  • la supraconductivité conventionnelle.

Notre objectif est d'atteindre une description théorique ab initio, c'est-à-dire sans paramètre ajustable, des trois premiers phénomènes. en particulier, nous développons, dans le cadre d'une collaboration, une approche numérique pour résoudre le problème couplé du transport électronique et du transport thermique dans les nanostructures.

Notre second objectif  est de proposer de nouveaux matériaux riches en bore ayant une forte supraconductivité conventionnelle.


Theoretical description of the electron-phonon coupling

L'étude des processus de relaxation des électrons est d'une importance capitale pour prédire la performance de nouveaux matériaux pour l'électronique, pour la conception des propriétés fonctionnelles de dispositifs ultrarapides, ou encore pour l'étude de matériaux dans lesquels l'excitation est induite par un laser ultra rapide.

La thématique générale de ce sous-projet est premièrement, de développer une description théorique ab initio des processus de relaxation de l'énergie et de la quantité de mouvement des électrons dans les nanostructures; deuxièmement, d'appliquer nos méthodes à des hétérostructures semiconductrices; enfin, de fournir les données numériques à introduire dans les modèles de transport dont la résolution est basée sur des simulations de type Monte-Carlo.

Récemment,  nous avons calculé les probabilités de diffusion d'un électron excité par des phonons dans des semiconducteurs en volume tels que GaAs et GaP. Les résultats de ces calculs sont très satisfaisants,en bon accord avec l'expérience [1-4].

Nous avons également étudié les transitions entre les états localisés sur des impuretés de Si [5]. Récemment, le silicium avec des impuretés tels que P, Sb, As, Bi a été proposé comme un matériau de base pour la fabrication des lasers fonctionnant dans le domaine des TéraHertz.  Notre but est de décrire les transitions dues au couplage électron-phonon qui sont responsables de renversement de la population dans ces lasers. Nous avons trouvé que dans le passé, le rôle de ce couplage a été surestimé d'au moins un ordre de grandeur, et que les temps de vie des niveaux  d'impuretés sont beaucoup plus longs  que les temps donnés dans la littérature, et nous en avons expliqué la raison.

En fait, le couplage électron-phonon entre les niveaux  d'impuretés est essentiellement le couplage entre entre les six minima équivalents du bas de la bande de conduction de Si (Fig.1, panel A). Or, ces transitions sont interdites par symétrie dans certaines directions de la zone de Brillouin, et  le comportement des éléments de matrice du couplage électron-phonon est très complexe, comme on le voit sur le panel B de la Fig. 1. Les modèles utilisés dans le passé, qui ont décrit ce couplage avec une seule constante effective, ont surestimé ce couplage d'un ordre de grandeur.

[1] J. Sjakste, V. Tyuterev, and N. Vast, Phys. Rev. B, 74:235216, (2006)
[2] J. Sjakste, V. Tyuterev, and N. Vast, Applied Physics A, 86:301 (2007)
[3] J. Sjakste, N. Vast, and V. Tyuterev, Phys. Rev. Lett., 99:236405 (2007)
[4] J. Sjakste, N. Vast, and V. Tyuterev, Journal of Luminescence, 128:1004 (2008)
[5] V. Tyuterev, J. Sjakste and N. Vast, manuscrit soumis pour publication (2009)


Illustration of our work: electron-phonon in bismuth: experience and theory

The electron-phonon coupling has been computed from first principles in a material in which spin-orbit coupling is tremendously large, and its dispersion in the Brillouin zone shows a remarkable agreement with the experimental dispersion, which has been measured for the first time [1].

[1] Phys. Rev. Letters 108, 256808 (2012)