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Université Joseph-Fourier - Grenoble I (25/09/2008), Stéphan Roche (Dir.)
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Contribution à la modélisation théorique et à l'étude du transport quantique dans les dispositifs à base de nanotubes de carbone.
Rémi Avriller1

Les nanotubes de carbone sont des structures tubulaires obtenues en enroulant une feuille de graphène sur elle-même. La manière d'effectuer cette enroulement détermine la chiralité du tube, ainsi que l'ensemble de ses propriétés électroniques et vibrationnelles. Du fait de la nature ondulatoire de l'électron et de la faible dimensionnalité des nanotubes de carbone, cette structure de bandes est fortement modulée par l'application d'un champ magnétique externe. La présence d'un potentiel de désordre(rupture de l'invariance par translation) ou l'excitation d'un mécanisme d'interaction entre électrons et modes phonons optiques ont aussi des conséquences importantes sur cette structure électronique. L'objectif de cette thèse est de s'intéresser aux propriétés de transport quantique des nanotubes de carbone, propriétés déterminées par la compétition entre interférences quantiques, structure de bandes et mécanismes d'interaction. Pour ce faire, une étude détaillée des nanotubes de carbone désordonnés, dopés à l'azote ou au bore sera menée, étude permettant de modéliser de manière fine le hamiltonien de désordre ainsi que de sonder les lois d'échelles de la conductance. La présence d'un champ magnétique statique et uniforme sera considérée, ainsi que ses conséquences sur les régimes de transport à faible tension de polarisation(formation d'un niveau de Landau et oscillation Aharonov-Bohm). Finalement, nous nous intéresserons au rôle des collisions inélastiques entre électrons et phonons optiques de haute symétrie, sur les propriétés de transport quantique(rôle priviligié lorsque la tension de polarisation franchit un seuil d'excitation inélastique). Du fait de la faible dimensionnalité, l'approximation adiabatique n'est plus valide, et un traitement cohérent dans l'espace de Fock électron-phonon doit être mené. Pour chacune de ces études, un modèle hamiltonien effectif est construit et le problème du transport quantique résolu analytiquement ou numériquement.
1:  SPSMS - UMR 9001 - Service de Physique Statistique, Magnétisme et Supraconductivité
Nanotubes de carbone – systèmes désordonnés de basse dimension – physique mésoscopique – transport électronique cohérent – transport inélastique – interaction électron-phonon – champs magnétiques intenses.

Theoretical modelling of quantum transport in carbon nanotube-based devices.
Carbon nanotubes are quasi-1D structures obtained by rolling a graphene sheet onto a cylinder surface. This determines the chirality and the complete electronic and vibrational band structure of carbon nanotubes. However, due to low dimensionnality of such systems and to the wave nature of electrons, this band structure is strongly modified by applying an external magnetic field, and broken by a random disordered potentiel(loss of translationnal invariance), or by excitation of an inelastic mechanism(electron-phonon interaction). The aim of the following thesis is to explore quantum transport properties in carbon nanotubes, due to the interplay between quantum interferences and interaction processes. We will focus ourselves on disordered carbon nanotubes doped by nitrogen or boron atoms, modelize the disordered hamiltonian and probe scaling laws of conductance. We will also consider the role of a uniform and static magnetic field on transport regimes at low bias(Landau level formation and Aharonov-Bohm oscillation). Inelastic collisions due to electron-optic phonon coupling will finally be considered. Due to the low dimensionnality of carbon nanotubes, the adiabatic approximation fails and a proper transport formalism in Fock space of electrons and phonons has to be considered. In the former studies, an effective microscopic hamiltonian is built and the problem of coherent quantum transport solved numerically or analytically.
Carbon nanotubes – disordered low dimensional systems – mesoscopic physics – coherent electronic transport – inelastic transport – electron-phonon interaction – high magnetic fields.