Quantum confinement in superconducting nanocrystals and electrical conductivity in superlattices of metallic nanocrystals - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2009

Quantum confinement in superconducting nanocrystals and electrical conductivity in superlattices of metallic nanocrystals

Confinement quantique dans les nanocristaux supraconducteurs et transport électronique dans les réseaux de nanocristaux métalliques

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Abstract

A first part of this thesis presents the development of a new synthesis of highly monodispersed populations of superconducting Lead nanocrystals. This synthesis enables us to measure precisely the superconducting thermodynamics properties as function of the size of the nanocrystals. We report on magnetic susceptibility measurements of the amplitude of the Meissner effect in these superconducting Lead nanocrystals as function of their diameter. Within the size range 10 < D < 30 nm, we find that the Meissner effect amplitude is order of magnitude smaller than expected from Ginzburg-Landau theory and is totally quenched for particles diameter below 16 nm, when the electronic spectrum becomes discrete. This shows that quantum confinement effects alter the Meissner superfluid response even at sizes scales significantly larger than expected from Anderson limit, i.e. the lower size limit for the existence of Cooper pairs in nanocrystals. A second part of this thesis presents a study of electronic transport in bidimensionnal arrays of Gold nanocrystals realized by the Langmuir technique. We report on the evolution of the electrical and optical conductivity of these arrays as function of the coupling between the nanocrystals by alkanedithiols chains with different lengths. We show that the conductivity of the array increases strongly when the length of alkane chains is reduced but no signature of metallic behavior is visible. Transport measurements at low temperature (4K) show non-linear I-V characteristics with a threshold voltage VT. These arrays exhibit a Coulomb blockade that can be analyzed by Middleton andWingreen model which identify the crossover between the insulator and the conductor states with a second order phase transition. In the vicinity of the critical point VT , the current follows a power law as function of the voltage applied as expected theoretically. The value of the exponent suggests that the transport of the electrons is dominated by co-tunneling processes.
Une première partie de ce travail de thèse consiste au développement d'une nouvelle synthèse chimique de nanocristaux supraconducteurs de plomb ayant la particularité de produire de grandes quantités de nanocristaux monodisperses. Cette synthèse nous permet de réaliser des mesures précises des propriétés thermodynamiques supraconductrices en fonction de la taille des nanocristaux. Nous présentons des mesures de susceptibilité magnétique de ces nanocristaux afin d'analyser l'amplitude de l'effet Meissner en fonction de la taille des particules. Pour des tailles de nanoparticules de plomb comprises entre 10 et 30 nm, nous avons trouvé que l'amplitude de l'effet Meissner est plus faible de plusieurs ordres de grandeurs que prédite par la théorie de Ginzburg-Landau. Nous avons aussi trouvé que cet effet est totalement supprimé pour des particules de diamètres inférieurs à 16 nm lorsque le spectre électronique devient discret. Ce résultat montre que les effets du confinement quantique altèrent l'état superfluide même pour des tailles supérieures à la taille déterminée par le critère d'Anderson. Ce critère contrôle l'existence des paires de Cooper dans le nanocristal. Dans une seconde partie de cette thèse, nous présentons une étude du transport électronique dans des réseaux de nanocristaux d'or réalisés par la technique de Langmuir. Nous présentons l'évolution des propriétés de conduction électrique et optique de ces réseaux avec le couplage des nanocristaux par des molécules alcanedithiols. Nous montrons que la conductivité du réseau augmente fortement pour de petites chaînes alcanes sans pour autant conduire à un état métallique. Aux basses températures de l'Hélium liquide, les caractéristiques courant-tension mesurées sur ces réseaux montrent un comportement non-linéaire et exhibent une tension seuil VT pour l'établissement d'un courant électronique dans le réseau. Nous analysons ce comportement caractéristique du transport dans un réseau avec blocage de Coulomb avec le modèle de Middleton et Wingreen, lequel identifie le passage du régime isolant au régime conducteur à une transition du second ordre. Au voisinage du point critique VT, on observe que la loi reliant le courant à la tension appliquée suit la relation attendue théoriquement. La valeur de l'exposant trouvé suggère que le transport est dominé par des mécanismes de co-tunneling.
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Dates and versions

pastel-00566233 , version 1 (15-02-2011)

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  • HAL Id : pastel-00566233 , version 1

Cite

Helena Moreira. Confinement quantique dans les nanocristaux supraconducteurs et transport électronique dans les réseaux de nanocristaux métalliques. Optique [physics.optics]. Paris 6, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00566233⟩
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