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Título

Transport properties in nanoparticle arrays

Otros títulosPropiedades de tranporte en redes de nanopartículas
AutorEstévez Nuño, Virginia
DirectorBascones, Elena
Palabras claveNanoparticle arrays
Transport properties
Redes de nanopartículas
Propiedades de transporte
Fecha de publicación23-feb-2012
Resumen[EN] The objetive of this thesis has been to understand theoretically the transport properties in metallic nanoparticle arrays and how it is affected by the disorder, the range of the electronic interactions and the magnetic interactions in the electrodes. The transport in these systems is controlled by Coulomb blockade physics. This means that the transport can be suppressed due to the repulsion between the electrons confined in a nanoparticle. In the first part of the thesis, we have studied the transport in nanoparticle arrays when they are placed between non-magnetic electrodes. Although in the last two decades a large number of experimental and theoretical works have been done, the transport in these systems is not understood. Most theoretical works had focused on the short range interaction limit, and even in this case important controversies remained. We have redefined the problem, which has enabled us to get a good understanding on the transport, and analyze the case in which electronic interactions are weakly screened. In the second part of the thesis, we have studied the transport properties through metallic nanoparticle arrays placed between ferromagnetic electrodes. Previous studies were restricted to one or two nanoparticles. We have studied the influence of the interplay between the ferromagnetism and the charging effects in the transport through arrays with N >= 3, and the results obtained are unexpected. There is a regime with large negative differential conductance and a huge enhancement of the tunnel magnetoresistance with respect to the case of a single nanoparticle.
[ES] El trabajo presentado en esta tesis consiste en un estudio detallado de las propiedades de transporte en redes de nanopartículas y cómo se ven afectadas por diferentes factores como los diferentes tipos de desorden que aparecen en las redes, el rango de interacción, la dimensionalidad de la red o el tipo de electrodos. Este estudio se ha hecho desde un punto de vista teórico, utilizando principalmente simulaciones de Monte Carlo de no equilibrio. Hasta ahora la mayoría de los trabajos realizados en redes de nanopartículas entre electrodos no-magnéticos se centraban en la determinación del voltaje umbral y como era el comportamiento de la corriente para voltajes muy cercanos a este. En la primera parte de esta tesis se han resuelto las controversias que existían en el transporte en redes unidimensionales. Además se ha demostrado tanto numérica como analíticamente que la teoría que se había considerado válida en los últimos 17 años para el transporte electrónico a través de redes de nanopartículas bidimensionales para voltajes cercanos al voltaje umbral era incorrecta. Lacorriente depende linealmente del voltage como (V-T). Esto se debe a que el transporte en esta región está controlado por una unión de contacto que actúa como cuello de botella, dando lugar a un régimen con comportamiento lineal en la corriente tanto en una como en dos dimensiones. Además esta dependencia lineal ocurre en todas las redes analizadas, con o sin desorden, con interacción de corto y de largo alcance, y en dos dimensiones para redes cuadradas y triangulares.
También se han estudiado las curvas I - V en otros rangos de voltaje. La corriente muestra tres regímenes con diferente comportamieno, dos lineales y uno entre ambos que es conocido como la escalera de Coulomb. A altos voltajes aunque ya se conocía la existencia de este régimen, en esta tesis se ha resuelto analiticamente la predicción asintótica de la curva I - V con su pendiente y su Vo f f set. También se ha estimado a que voltaje se va a alcanzar la linealidad. En esta tesis se ha demostrado que el tranporte depende de cómo sea el voltaje de polarización aplicado a la red, es decir, si es simétrico (V1 = V/2, V2 = -V/2), totalmente asimétrico (V1 = V, V2 = 0) o intermedio. Hasta ahora esta dependencia apenas había sido discutida. Otro aspecto original de este trabajo ha sido el estudio teórico de la caída de potencial a través de la red. En general la caída de potencial en una unión dada no es estrictamente proporcional a su resistencia. En particular, los resultados más interesantes aparecen en el rango de voltajes donde la curva I - V muestra la escalera de Coulomb. En este régimen para una red sin desorden la caída de potencial en las uniones muestra oscilaciones casi periodicas que reflejan la correlación de las cargas.
En la segunda parte de esta tesis se ha estudiado el transporte en redes de nanopartículas en una y dos dimensiones cuando están situadas entre electrodos ferromagnéticos. Hasta ahora los estudios previos se habían restringido a los casos de una y dos islas. Este estudio nos ha permitido entender cómo afecta al transporte la interacción entre el ferromagnetismo de los electrodos y los efectos de carga de las nanopartículas. Al contrario de lo que sucede en el caso de una sola nanopartícula, donde solo hay acumulación de espín cuando la orientación magnética de los electrodos es antiparalela, en una red de nanopartículas hay acumulación de espín en las dos configuraciones, paralela y antiparalela. Cuando la orientación es paralela la acumulación de espín influye fuertemente en las propiedades de transporte, apareciendo un régimen con conductancia negativa para unos voltajes donde en el caso de electrodos no-magnéticos la corriente está suprimida. Para este rango de voltajes en redes con N 3 nanopartículas hay un gran aumento de la magnetorresistencia túnel (TMR), de más de dos ordenes de magnitud con respecto a los casos de una y dos nanopartículas.
En este trabajo también se han analizado cómo los efectos producidos por la interacción entre el ferromagnetismo y los efectos de carga se van a ver afectados por diferentes factores como la distinta polarización en los dos electrodos, la temperatura, el desorden de carga o de resistencia y la interacción de largo alcance. Para el caso en que los electrodos tienen diferente polarización el régimen con conductancia negativa aparece en ambas configuraciones magnéticas. En este caso los valores de la TMR son del mismo orden que en el caso en el que los dos electrodos tienen la misma polarización. El desorden en resistencias y la dimensionalidad apenas afectan a los valores de la TMR. Sin embargo, el desorden de carga destruye el régimen de picos, y como resultado la magnetorresistencia prácticamente desaparece. Por otro lado, las oscilaciones en la corriente y los valores de la TMR dependen de la temperatura, decreciendo cuando esta aumenta. Finalmente para el caso de interacción de largo alcance, la TMR puede ser suprimida si la interacción no está apantallada por la proximidad de los conductores.
DescripciónTesis Doctoral elaborada en el Dpto. de Teoría y Simulación de Materiales del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y presentada el 13 de abril de 2011.
URIhttp://hdl.handle.net/10261/46104
Aparece en las colecciones: (ICMM) Tesis
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