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Revue sur le silicène - Un nouveau candidat pour l'électronique
A review on silicene - New candidate for electronics
Abdelkader Kara, Hanna Enriquez, Ari P. Seitsonen, L.C. Lew Yan Voon, Sébastien Vizzini, Bernard Aufray, Hamid Oughaddou
Surface Science Reports 67 (2012) 1–18
DOI :10.1016/j.surfrep.2011.10.001
contact : sebastien.vizzini@im2np.fr
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Peu après la découverte du graphène (2004) et la confirmation de ses propriétés exceptionnelles, de nombreux théoriciens se sont intéressés à ce qu’ils ont appelé le silicène i.e. l’équivalent du graphène pour le silicium. De très nombreux calculs théoriques, en Liaisons fortes comme ab initio, ont montré que le silicène avait une stabilité intrinsèque (soit plat soit faiblement corrugué) et présentait des propriétés électroniques quasi identiques à celles du graphène. Comme pour le graphène les bandes π et π* de sa structure de bande forment ce qu’on appelle un cône de Dirac aux points K de la zone de Brillouin. Par rapport au graphène, le faible recouvrement entre les orbitales pz rend la surface du silicène plus réactive à l’adsorption d’espèces chimiques étrangères. De ce fait, du point de vue théorique, toutes les applications envisagées actuellement avec le graphène telles que la fabrication de nano composants ultrarapides basés sur un transport de charges balistiques à température ambiante, pourraient être transférées à ce nouveau matériau avec l’avantage d’être plus facilement adaptable à une industrie de l’électronique qui est essentiellement à base de silicium.Des résultats expérimentaux visant à stabiliser un plan 2D de type silicène ont été réalisés à Marseille au cours d’expériences de croissance épitaxiale de silicium sur des substrats d’argent.
Ce travail, initié par Bernard Aufray (CINaM) et Hamid Oughaddou (ISMO), entre dans le cadre d’une collaboration d’expérimentateurs (CINaM, ISMO et IM2NP) et de théoriciens (Physikalisch-Chemisches Institut, CINaM, Wright State University, et Central Florida University).Cet article de revue présente une vue d’ensemble des résultats théoriques et expérimentaux obtenus au sein de cette collaboration sur ce sujet à très fort potentiel.
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Silicene – the silicon-based counterpart of graphene – has a two dimensional structure that is responsible for the variety of potentially useful chemical and physical properties. The existence of silicene has been achieved recently owing to experiments involving epitaxial growth of silicon as stripes on Ag(001), ribbons on Ag(110), and sheets on Ag(111). The nano-ribbons observed on Ag(110) were found – by both high definition experimental scanning tunneling microscopy images and density functional theory calculations – to consist of an arched honeycomb structure. Angle resolved photo-emission experiments on these silicene nano-ribbons on Ag(110), along the direction of the ribbons, showed a band structure which is analogous to the Dirac cones of graphene. Unlike silicon surfaces, which are highly reactive to oxygen, the silicene nano-ribbons were found to be resistant to oxygen reactivity.
On the theoretical side, recent extensive efforts have been deployed to understand the properties of standalone silicene sheets and nano-ribbons using both tight-binding and density functional theory calculations. Unlike graphene it is demonstrated that silicene sheets are stable only if a small buckling (0.44 Å) is present. The electronic properties of silicene nano-ribbons and silicene sheets were found to resemble those of graphene.
Although this is a fairly new avenue, the already obtained outcome from these important first steps in understanding silicene showed promising features that could give a new future to silicon in the electronics industry, thus opening a promising route toward wide-range applications. In this review, we plan to introduce silicene by presenting the available experimental and theoretical studies performed to date, and suggest future directions to be explored to make the synthesis of silicene a viable one.
This work has been carried out in collaboration with CINaM, ISMO, IM2NP, Physikalisch-Chemisches Institut, Wright State University, and Central Florida University.
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A) High resolution filled state STM image revealing honeycomb arrangement.
B) Top view of Si nano-ribbons on Ag(110): silicon atoms (red) forming hexagons along the channels on top of the surface Ag atoms (green);
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Le dopage des semi-conducteurs est une étape fondamentale pour le contrôle de leurs propriétés électriques, magnétiques ou optiques. Cependant, l’incorporation d’impuretés dans des semi-conducteurs communs comme le silicium, visant en général l’obtention d’une solution solide homogène afin d’en exploiter correctement les propriétés, représente souvent un état instable de la matière et, de ce fait, reste difficile à contrôler. Par exemple, la formation de clusters n’impliquant que quelques dizaines d’atomes d’impuretés dans le massif du semi-conducteur hôte est suspectée dans de nombreux cas mais leur caractérisation reste extrêmement délicate : leur faible volume limite l’utilisation de techniques de diffraction (X ou électronique) tandis que les inhomogénéités structurales du matériau compliquent fortement l’interprétation des signaux de nombreuses techniques (EXAFS, annihilation de positrons, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford, ...), moyennés sur des populations mixtes d’impuretés isolées et de clusters. Une description non ambiguë de ces nano-phases passe donc en général par une analyse tridimensionnelle dans l’espace direct. Dans ce travail, nous déterminons la structure atomique de clusters métastables de tailles sub-nanométriques de CeSi enterrés dans une matrice de Si cristallin en nous basant sur la microscopie électronique à balayage par transmission corrigée des aberrations. Plus particulièrement, l’analyse combinée d’images acquises dans deux directions cristallographiques nous a permis de déterminer l’ordre chimique local (zinc-blende ou B3) à ces nano-objets. Ce travail illustre les nouvelles possibilités offertes par la microscopie électronique dans la caractérisation quantitative de nano-objets et dans l’étude des processus hors équilibre en matière condensée.
Ce travail a été mené en collaboration avec M. Couillard, G.A. Botton et A.P. Knight à l’université McMaster à Hamilton (Ont.), Canada.
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Doping semiconductors is a fundamental step when trying to tailor their electric, magnetic or optical properties. The incorporation of impurities in bulk silicon, aiming eventually at a random solid solution, as usually whished to fully exploit their properties, is however often hindered by the unstable character of this state of matter. The formation of clusters or intermediate phases made of a few tens of atoms is often suspected but their detection remains extremely challenging: such a small interacting volume limits the use of diffraction techniques, while structural inhomogeneities complicate the interpretation of signals averaged over mixed populations of isolated and clustered impurities for many techniques. An unambiguous description of possible dopant nanophases therefore necessitates a three-dimensional real-space analysis. In this work, we elucidate the atomic structure of individual sub-nanometer CeSi clusters buried in a crystalline Si matrix using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy. In particular, the combined analysis of images acquired from two crystallographic directions allowed us to retrieve the local chemical order (zinc-blende or B3) characteristic of these nanophases. This work demonstrates the new capabilities of electron microscopy to unravel the chemistry of buried nanophases and brings the study of nonequilibrium processes in condensed matter a step further.
This work has been carried out in collaboration with M. Couillard, G.A. Botton and A. P. Knight at McMaster University, Hamilton (Ont.) Canada.
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Images en contraste de Z de clusters de CeSi obtenues dans l’axe de zone (a) [110] et (b) [100] avec les modèles atomiques correspondants en (c) et (d). Les images ont été prises sur deux échantillons distincts, filtrées et sont présentées avec une échelle d’intensité non linéaire. Leur dimension est de 2 nm. Les figures (e) et (f) montrent les plans (110) et (100) de la structure zinc-blende.
Z-contrast images of clusters taken along the (a) [110] and (b) [100] zone axes, with their corresponding atomic models in (c) and (d). The images were taken from two different TEM specimens, have been low-pass filtered, and are displayed on a nonlinear intensity scale. Their dimension is 2 nm. Panels (e) and (f) display the (110) and (100) planes in a zinc-blende lattice.
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Sur l'origine des différences de propriétés de transport entre électrons et trous dans un polymère conjugué ambipolaire à base de polysélénophène
Origin of the different transport properties of electron and hole polarons in an ambipolar polyselenophene-based conjugated polymer
Zhuoying Chen, Matthew Bird, Vincent Lemaur, Guillaume Radtke, Jérôme Cornil, Martin Heeney, Iain McCulloch, and Henning Sirringhaus
Phys. Rev. B 84, 115211 (2011)] Published Tue Sep 27, 2011
DOI:10.1103/PhysRevB.84.115211
contact : zhuoying.chen@im2np.fr
selected by the editors of PRB as Editors' Suggestion.
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| La compréhension des mécanismes limitant le transport dans les transistors à effet de champ organiques est importante à la fois du point de vue fondamental et du point de vue des applications. Dans ce travail, nous présentons une étude comparant de façon systématique les propriétés de transport des trous et des électrons dans un polymère conjugué semi-crystallin, le poly(3,3''-di-n-decylersélénophène) ou PSSS. En nous basant sur une étude détaillée des caractéristiques des dispositifs et de la variation de la mobilité avec la température et avec la densité de charge, nous avons interprété les différences de comportement entre trous et électrons au moyen des modèles de Vissenberg-Matters et du Seuil de mobilité. Afin de mieux comprendre les mécanismes de transport à l'échelle moléculaire, nous avons combiné la technique expérimentale de Spectroscopie en modulation de charge (CMS), permettant d'observer l'absorption optique associée aux polarons chargés positivement ou négativement, à des calculs DFT (Théorie de la fonctionnelle de la densité). Nous observons une tension de switch-on beaucoup plus importante pour les électrons liée à la présence de pièges profonds, ainsi qu'une énergie d'activation plus élevée. La CMS révèle par ailleurs que les électrons qui restent mobiles et contribuent au courant circulant dans le transistor ont une fonction d'onde plus localisée que celle des trous, qui elle, peut s'étendre sur plusieurs chaînes de polymères. Nous y voyons une preuve que les propriétés de transport des électrons mobiles ressent affectés par la présences depièges profonds. Cette nature plus localisée des électrons mobiles peut être interprétée comme résultante d'une interaction avec des pièges peu profonds à proximité d'impuretés chimiques (potentiellement des molécules d'eau) et précédant leur capture dans des pièges plus profonds. |
Understanding the mechanisms limiting ambipolar transport in conjugated polymer field-effect transistors (FETs) is of both fundamental and practical interest. Here, we present a systematic study comparing hole and electron charge transport in an ambipolar conjugated polymer, semicrystalline poly(3,3′′-di-n-decylterselenophene) (PSSS). Starting from a detailed analysis of the device characteristics and temperature/charge-density dependence of the mobility, we interpret the difference between hole and electron transport through both the Vissenberg-Matters and the mobility-edge model. To obtain microscopic insight into the quantum mechanical wave function of the charges at a molecular level, we combine charge modulation spectroscopy (CMS) measuring the charge-induced absorption signatures from positive and negative polarons in these ambipolar FETs with corresponding density functional theory (DFT) calculations. We observe a significantly higher switch-on voltage for electrons than for holes due to deep electron trap states, but also a higher activation energy of the mobility for mobile electrons. The CMS spectra reveal that the electrons that remain mobile and contribute to the FET current have a wave function that is more localized onto a single polymer chain than that of holes, which is extended over several polymer chains. We interpret this as evidence that the transport properties of the mobile electrons in PSSS are still affected by the presence of deep electron traps. The more localized electron state could be due to the mobile electrons interacting with shallow trap states in the vicinity of a chemical, potentially water-related, impurity that might precede the capture of the electron into a deeply trapped state.
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variation de la mobilité des transistors à effet de champ organique à base de PSSS avec la température et avec la densité de charge. |
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Méta-cinabre (beta-HgS) : un isolant topologique robuste, tridimensionnel, avec des états de surface fortement anisotropes.
Metacinnabar (beta-HgS) : a strong 3D topological insulator with highly anisotropic surface states
F. Virot, R. Hayn, M. Richter and J.Van den Brink
Physical Review Letters, vol. 106, 236806 (10 June 2011)
DOI : 10.1103/PhysRevLett.106.236806
contact Im2np : roland.hayn@im2np.fr
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Des chercheurs de l’Im2np (CNRS et Aix-Marseille Université) et de l’IFW de Dresde (Allemagne) ont découvert par calculs ab initio que le sulfure de mercure, sous sa forme zinc-blende (β-HgS), est un isolant topologique.
Ce nouveau type de matériaux agit à la fois comme isolant et comme conducteur. Ses surfaces présentent des états métalliques très robustes, alors que son volume reste isolant. Dans les isolants topologiques, la direction de spin ne peut être que perpendiculaire à la direction du mouvement des électrons. Ceci implique que la diffusion des électrons, et la dissipation de l’énergie qui y est associée, est quasi inexistante. En outre, un courant de charge va toujours de pair avec un courant de spin (spin Hall effect).
Ces dernières années, les isolants topologiques sont devenus l’un des sujets brûlants de la physique. En effet, ils sont très prometteurs pour une nouvelle génération de composants électroniques (transistors et mémoires) : plus rapides (similaires au graphène), à faible consommation d’énergie et utilisant non seulement la charge mais aussi le spin des électrons dans le traitement de l’information (domaine de la spintronique). Jusqu’à présent, une dizaine de matériaux ont été identifiés comme de possibles isolants topologiques (ex : Bi2Te3). Cependant, ceux-ci présentent tous le même comportement, à savoir des états de surfaces robustes caractérisés par un unique cône de Dirac isotrope.
Pour le cas du sulfure de mercure, l’équipe a non seulement mis en évidence qu’il est un isolant topologique, mais également une autre spécificité unique : ses états de surfaces (cône de Dirac) sont extrêmement anisotropes. Cette particularité implique que les surfaces forment spontanément un réseau de canaux parallèles qui transportent la charge. A l’intérieur de ces canaux, pratiquement isolés, le courant électrique circule rapidement et librement. De cette façon, les surfaces agissent comme un ensemble de fils électriques parallèles.
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Researchers from the Im2np (CNRS and University of Marseille, France) and the IFW (Dresden, Germany) discovered by ab initio calculations that mercury-sulfide (HgS) is a topological insulator. These new materials act as both insulators and conductors, with their interior preventing the flow of electrical currents while their surfaces allow the movement of charge.
They are very promising for a new generation of electronic devices: much faster (similar to graphene), having low-power consumption and using not only the charge but also the spin of the electron for information processing (spintronics). In recent years, topological insulators have become one of the hottest topics in physics. About ten candidate topological insulator materials have been identified so far.
Mercury-sulfide (HgS) stands out among these because its surface spontaneously forms a pattern of parallel channels that transport charge. Within the channels electric current flows rapidly and unimpeded while charge can barely move from one channel to another. In this way the surface acts as a set of parallel electric wires.
Interestingly, mercury-sulfide crystals have been known since time immemorial, known as cinnabar to the Romans and as vermillion in the Middle Ages, these crystals have a wonderful orange-red hue. The topologically protected metallic surface states are expected in their grey-black phase, known as meta-cinnabar. Somewhat duller in color perhaps, but harboring an intriguing new quantum state of matter.
In all topological insulators, the spin direction is forced to be perpendicular to the direction of motion of the electrons. Therefore, regular scattering becomes ineffective and cannot cause dissipation. Moreover, a pure spin current has to go hand in hand with a charge current. This is a promising effect for spintronics, an emerging information-processing technology to build efficient transistors and memory devices.
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Structure de bandes d'une couche mince de méta-cinabre projetée sur la surface (100) (zone grisée et lignes noires). Les bandes métalliques de surface sont indiquées en rouge et en bleu. Les états correspondants ont une structure spirale avec des directions d'impulsion et de spin orthogonaux.
Band structure of a thin film of Metacinnabar projected on the (100)-surface (shaded area and black lines). The metallic surface bands are indicated in red and blue. The corresponding states have a spiral structure with perpendicular directions of spin and momentum.
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Couplages Magnétiques dans le CsV2O5 : un Nouveau Modèle
Magnetic Couplings in CsV2O5: A New Picture
A. Saul and G. Radtke
Physical Review Letters, vol. 106, 177203 (2011)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.177203
contact Im2np : guillaume.radtke@im2np.fr
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L'étude de systèmes de spin-1/2 de basse dimensionnalité est un domaine très prolifique de la physique de la matière condensée depuis plusieurs dizaines d'années. La famille des vanadates, en particulier, a produit de nombreux composés aux topologies et aux comportements variés : réseaux carrés quasi-bidimensionnels, échelles et chaînes de spins, dimères isolés. Les propriétés magnétiques de ces composés sont principalement déterminées par le signe et l'amplitude des interactions d'échange couplant les moments portés par les ions magnétiques et donc, par les détails de leur structure atomique et électronique. Dans ce cadre, la seule considération de la géométrie d'un composé, essentiellement basée sur l'analyse des distances séparant les centres magnétiques, peut s'avérer incomplète et même trompeuse. Le cas du (VO)2P2O7 illustre bien ce problème : longtemps considéré comme une réalisation parfaite d'un système d'échelles de spins, il a été montré par la suite que la structure magnétique de ce composé était en fait plus proche de celle de chaînes de spins alternées et orientées perpendiculairement à la direction supposée des échelles.
Le CsV2O5 a longtemps été considéré, du point de vue de sa structure magnétique, comme un système de dimères de spin-1/2 isolés les uns des autres, et caractérisé par un gap de spin de l'ordre de 146K séparant l'état fondamental singulet des premiers états excités triplets. Cette interprétation était basée sur l'excellent fit de la susceptibilité magnétique obtenu avec un modèle de Bleaney-Bowers ainsi que sur la présence évidente de dimères d'ions magnétiques V4+ dans sa structure.
Dans ce travail, en nous basant sur le formalisme de la symétrie brisée en DFT, nous démontrons que la structure magnétique de ce composé est en fait plus proche de celle de chaînes alternées fortement dimérisées et orientées selon l'axe c du cristal. De plus, nous montrons que les dimères magnétiques ne correspondent pas aux dimères structuraux. Ce résultat étonnant provient du fait
que l'interaction de troisième voisins, intervenant entre les dimères structuraux, est l'interaction dominante dans ce composé. Cette interaction forte et à longue portée est véhiculée par des tétraèdres VO4 non-magnétiques (le vanadium y adopte cette fois une valence formelle 5+) connectant les dimères structuraux. Ces résultats soulignent donc le rôle important joué par ces unités structurales non-magnétiques sur les propriétés des vanadates de basse dimentionnalité.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec A. Saúl (CINaM, Marseille).
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The study of low-dimensional spin-1/2 quantum systems has been a very prolific field of condensed matter physics during the past decades. The family of vanadates, in particular, has provided a rich variety of compounds with different behaviors and topologies such as depleted quasi-two-dimensional square lattice, two-leg ladders, one-dimensional chains, or isolated dimers. Their magnetic structure and properties are primarily determined by the magnitude and the sign of the different effective exchange couplings arising between magnetic ions and therefore on the very details of their atomic and electronic structures. In this framework, the sole consideration of the geometry of a compound, usually based on a simple analysis of the distances separating the magnetic centers, is often incomplete and even misleading. A detailed experimental investigation of (VO)2P2O7 by inelastic neutron scattering demonstrated, for example, that the magnetic properties of this compound, originally considered as an excellent realization of a two-leg spin ladder, were in fact those of an alternating Heisenberg antiferromagnetic chain running perpendicularly to the supposed ladder direction. The determination of exchange couplings is therefore crucial to unravel the complex magnetic behavior of certain compounds but also to guide the design of new systems.
In this work, we demonstrate, based on first-principles calculations and on an extensive use of the broken symmetry formalism, that the magnetic structure of CsV2O5 is made of strongly dimerized alternating 1D chains oriented along the c axis. Moreover, we show that the largest exchange coupling along the chain arises unexpectedly between the structural dimers, via the V4+-O-V5+-O-V4+ superexchange pathway or, in other words, that the structural dimers are not the magnetic dimers. This work should motivate further experimental investigations on this compound while emphasizing the importance of nonmagnetic bridging units in the design and the understanding of new systems.
This work has been done in collaboration with A. Saúl (CINaM, Marseille).
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Densité de spin minoritaire correspondant à un calcul effectué avec un seul V4+ de la supercellule dans l'état spin down, les sept autres V4+ portant un spin up. L'isosurface dessinée correspond à une densité de 4.10-3 electron a.u.-3. Les ellipses symbolisent les dimères structuraux. On voit clairement l'orbitale magnétique portée par le V4+ se délocaliser vers les V5+ non-magnétiques et ouvrir ainsi la possibilité d'un fort couplage entre dimères.
Minority spin electron density corresponding to a calculation with only one spin down V4+ ion in the supercell, the remaining seven V4+ holding a spin up magnetic moment. The isosurface corresponding to a density of 4.10-3 electron a.u.-3 is shown. Shaded regions emphasize structural dimers. The V4+ magnetic orbital is clearly delocalized toward the non-magnetic V5+ ions opening the way for a strong interdimer interaction.
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Monocouche de polymère Fe-Ptalocyanine : synthèse d'un réseau bidimensionnel organométallique sur des surfaces
Single Layer of Polymeric Fe-Phthalocyanine: An Organometallic Sheet on Metal and Thin Insulating Film
Mathieu Abel, Sylvain Clair, Oualid Ourdjini, Mireille Mossoyan, and Louis Porte
J. Am. Chem. Soc., 133 (5), pp 1203–1205, 2011
DOI : 10.1021/ja108628r
contact Im2np : sylvain.clair@im2np.fr, mathieu.abel@im2np.fr
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Une étape importante de l’avancée vers l’électronique moléculaire sera le positionnement précis des molécules sur une surface. L’auto-assemblage par voie « bottom-up » de molécules aromatiques permet la réalisation de réseaux moléculaires bi-dimensionnels bien définis dont la cohésion est assurée par les interactions intermoléculaires. Cependant, la nature de celles-ci ne permet pas d’obtenir une conductibilité intermoléculaire satisfaisante. Ce problème peut-être résolu si plutôt que de partir de la molécule entière comme brique de base des assemblages, on élabore par synthèse directe sur une surface le réseau moléculaire à partir de deux entités élémentaires – une brique et un liant- capables de s’auto-assembler de façon répétitive.
C’est ce qui a été réalisé par des chercheurs de l’IM2NP à Marseille, qui ont réussi à faire croître une couche unique de polymère bidimensionnel sur une surface. Par évaporation sous ultra-haut vide des deux éléments constitutifs, molécules de tetracyanobenzène (la brique) et atomes de fer ( le liant), une synthèse chimique directe est obtenue sur une surface avec comme résultat soit une molécule de phthalocyanine de fer lorsque ces élément sont déposés en proportion 4 :1, soit un polymère de phthalocyanine de fer lorsque la proportion est de 2 :1.
La réalisation du polymère de phthalocyanine de fer représente plusieurs avancées majeures dans le domaine des matériaux organiques pour l’électronique moléculaire. Ce nouveau matériau constitue un réseau nanométrique périodique parfaitement ordonné, donc aux propriétés parfaitement définies, et dont la cohésion est assurée par des liaisons covalentes fortes et stables. Très bon conducteur bidimensionnel, constituant un pavage régulier d’atomes magnétiques, il pourrait avoir des applications notamment en spintronique. Enfin, ce polymère peut être synthétisé sur des surfaces métalliques ou sur une couche mince d’isolant. Cette dernière configuration (figure) permet de découpler le film polymère de son substrat de base. Ses propriétés intrinsèques sont ainsi préservées, ce qui devrait rendre sa manipulation et son transfert dans des dispositifs plus aisés.
Ce résultat a fait l’objet d’un brevet et vient de paraitre dans la revue Journal of the American Chemical Society, 2011, 133 (5), pp 1203–1205
Ci-contre : Image par microscopie à effet tunnel du polymère de phtalocyanine formé sur une couche mince d’isolant NaCl sur un substrat d’argent.
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Supramolecular chemistry on a surface has produced a large variety of atomically controlled systems, but practical applications are seriously restricted by the use of weakly cohesive non-covalent bonds and by the confinement to a metal surface. Here we report on the formation of a well-ordered organometallic sheet consisting of two-dimensional polymeric phthalocyanine. Remarkably, the growth demonstrated on a metal surface can be extended onto a thin insulating film. We thus expect the intrinsic properties to be preserved, and the system should be easily transferable to real devices.
STM image of the 2D Fe-phthalocyanine polymer (poly-FePc) formed on a thin insulating NaCl island deposited on Ag(100) by successive deposition of TCNB and Fe atoms in a 2:1 ratio.
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Etude théorique de la structure, et des propriétés électroniques et magnétiques d’un système à gap de spin
Interplay between Structural, Electronic, and Magnetic Degrees of Freedom in Sr3Cr2O8
Radtke, G; Saul, A; Dabkowska, HA; Luke, GM; Botton, GA
PHYSICAL REVIEW LETTERS 105 (3): Art No. 036401 2010
DOI 10.1103/PhysRevLett.105.036401
contact Im2np : guillaume.radtke@im2np.fr
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La dimérisation de spins ½ localisés, c'est-à-dire la formation d'un état fondamental singulet (S=0) à basse température, séparé des premiers états excités (S=1) par un gap de spin a été observée dans de nombreux cristaux inorganiques. Un intérêt particulier a été porté sur ce type de matériaux (par exemple TlCuCl3 ou BaCuSi2O6) car, dans la limite où les interactions entre ces dimères sont faibles, la physique de ces composés se ramène exactement à celle de la condensation de Bose-Einstein.
Sr3Cr2O8 apparaît comme un système de dimères de spin ½ puisque d’une part, le Cr y adopte la valence formelle assez inhabituelle +5 (correspondant à la configuration électronique 3d1) et d’autre part sa cristallographie favorise la formation de dimères formés à partir de deux unités structurales tétraédriques (CrO4)3-. Dans ce travail, nous avons démontré, sur la base d’une optimisation de structure à partir de calculs ab initio prenant en compte la forte corrélation électronique dans les couches 3d (voir figure), que l’ion Cr5+ en environnement tétraédrique est responsable d’une transition structurale, associée à une distorsion de Jahn-Teller collective, d’une phase hexagonale à haute température vers une phase monoclinique à basse température (transition ~275K). La structure électronique, sondée en spectroscopie de pertes d’énergie des électrons, ainsi que les propriétés magnétiques (gap de spin et couplages magnétiques) mesurées expérimentalement sont en excellent accord avec les prédictions théoriques, confirmant l’image de dimères dans l’état fondamental singulet et faiblement couplés.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec A. Saúl (CINaM, Marseille), H. A. Dabkowska, G. M. Luke, et G. A. Botton (McMaster University, Canada).
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The dimerization of localized spin ½, i.e. the formation of a spin singlet (S=0) magnetic ground state at low temperature, separated from the first excited triplet (S=1) states by a spin gap has been observed in a number of inorganic materials. A particular interest has been devoted to this type of material (for instance TlCuCl3 or BaCuSi2O6) since, in the limit where the interactions between these dimers are weak, the physics of these compounds maps onto the physics of Bose-Einstein condensation.
Sr3Cr2O8 appears as a spin ½ dimer system as Cr adopts the unusual 5+ oxidation state (corresponding to a 3d1 electronic configuration) and as its crystallography favors the formation of dimers built from two (CrO4)3- structural units. In this work we showed, based on a ab initio structural optimization accounting for the strong electron correlation arising within the Cr 3d shell, that the tetrahedrally coordinated Cr5+ ions are responsible for a structural transition (associated to a collective Jahn-Teller distortion) from the high-temperature hexagonal phase to a low-temperature monoclinic structure (at around 275K). The electronic structure, probed in electron energy loss spectroscopy, as well as the magnetic properties are in excellent agreement with our theoretical predictions, confirming the image of a system built from weakly interacting dimers in a singlet ground state.
This work has been done in collaboration with A. Saúl (CINaM, Marseille), H. A. Dabkowska, G. M. Luke, and G. A. Botton (McMaster University, Canada).
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Structure électronique du Sr3Cr2O8 calculée dans sa phase monoclinique pour un alignement ferromagnétique hypothétique des moments magnétiques du Cr. Alors qu'une fonctionnelle semi-locale (GGA en (a)) prédit un état fondamental métallique, une fonctionnelle hybride (PBE0 en (b)) traitant plus correctement la forte corrélation dans les couches d du Cr prédit un état fondamental isolant en accord avec l'expérience et favorisant l'occupation de l'orbitale Cr-3d3r2-z2.
Electronic structure of Sr3Cr2O8 calculated in the monoclinic phase for an hypothetical ferromagnetic arrangement of the Cr magnetic moments. Although a semi-local functional (GGA in (a)) predicts a metallic ground state, this inconsistency is corrected when using an hybrid functional (PBE0 in (b)) leading to the formation of a conductivity gap in agreement with the insulating nature of this compound. The occupation of the Cr-3d3r2-z2 also appears clearly.
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Polarization Switching without Domain Formation at the Intrinsic Coercive Field in Ultrathin Ferroelectric PbTiO3
Highland MJ (Highland, Matthew J.), Fister TT (Fister, Timothy T.), Richard MI (Richard, Marie-Ingrid), Fong DD (Fong, Dillon D.), Fuoss PH (Fuoss, Paul H.), Thompson C (Thompson, Carol), Eastman JA (Eastman, Jeffrey A.), Streiffer SK (Streiffer, Stephen K.), Stephenson GB (Stephenson, G. Brian)
PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 105 Issue: 16 Article Number: 167601 Published: OCT 12 2010
DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.167601
contact Im2np : marie-ingrid.richard@im2np.fr |
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Polarization switching in ferroelectrics has been thought to occur only through the nucleation and growth of new domains. Here we use in situ synchrotron x-ray scattering to monitor switching controlled by applied chemical potential. In sufficiently thin PbTiO3 films, nucleation is suppressed and switching occurs by a continuous mechanism, i.e., by uniform decrease and inversion of the polarization without domain formation. The observed lattice parameter shows that the electric field in the film during switching reaches the theoretical intrinsic coercive field.
coll. : Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois 60439, USA | Université Paul Cézanne Aix-Marseille, IM2NP, UMR CNRS 6242, Faculté des Sciences de St Jérôme, 13397 Marseille, France | Department of Physics, Northern Illinois University, DeKalb, Illinois 60115, USA
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Mesoscopic Arrays from Supramolecular Self-Assembly
Clair, S (Clair, Sylvain); Abel, M (Abel, Mathieu); Porte, L (Porte, Louis)
ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION, 49 (44): 8237-8239 2010
DOI 10.1002/anie.201003335
contact Im2np : sylvain.clair@im2np.fr |
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Well-ordered superarrays of exceptionally large period (22 nm) and involving a substantial number of hexahydroxytriphenylene molecules (20×20 superlattice) form on a Ag(111) surface. The superstructure (see picture; triangular pattern) is an intrinsic property of the system and, remarkably, it does not depend on global surface coverage (lower right: partial structure).
keyword : hydrogen bonds;nanostructures;scanning probe microscopy;self-assembly;supramolecular chemistry
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