Orientador: Eduardo Granado Monteiro da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-20T17:01:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kaneko_UlissesFerreira_M.pdf: 2619088 bytes, checksum: c36f7ad5b21c5415a6efa7e4b72e4bb3 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Essa dissertação de Mestrado descreve medidas de Espectroscopia Raman realizadas em dois sistemas de perovskitas, Sr2CrReO6 e Ba1-xLaxTi0,5Mn0,5O3. Na perovskita Sr2CrReO6 dupla foram feitas medidas em um intervalo de temperaturas entre 30 K e 700 K. Foi observado um endurecimento anômalo e recorde do modo de respiração dos octaedros de oxigênio sobre os metais de transição abaixo da temperatura de ordenamento ferrimagnético dos spins de Cr e Re, Tc~600K. Tal fenômeno é explicado em termos de uma nova excitação coletiva à qual atribuímos o nome de ¿spin-elétron-fônon¿. No sistema Ba1-xLaxTi0,5Mn0,5O3 é feita uma série de medidas para x=0.0, 0.2, 0.3, 0.4 e 0.5. Para cada valor de x foi variada a temperatura de 30 K até 300 K e o mostramos que a mudança de temperatura não induz nenhuma transição de fase estrutural. No entanto, o espectro Raman mostra uma evolução em função de x que é interpretada como uma transição de fase causada por um aumento da desordem ocupacional nos sítios de Ti e Mn induzida pela dopagem de La / Abstract: This Master¿s thesis describes Raman spectroscopy measurements performed on two perovskitas systems, Sr2CrReO6 and Ba1-xLaxTi0,5Mn0,5O3. In the double perovskite Sr2CrReO6 Raman spectra were measured as a function of temperature in the range from 30 K to 700 K. A record-high anomalous hardening at the frequency of breathing mode of the oxygen octaedra over the transition-metals ions was observed below the ferrimagnetic ordering temperature of the Cr and Re spins. This phenomenon is explained in terms of a new collective excitation which we term \\\"spin-electronphonon\\\". In the system Ba1-xLaxTi0,5Mn0,5O3 a series of Raman spectra was measured for x = 0.0; 0.2; 0.3; 0.4 and 0.5. For each composition the temperature was varied from 30 K to 300 K and we showed that, at least in the studied range temperature variation does not induce any structural transition. However, the Raman spectrum shows an evolution with x which is interpreted as a phase transition caused by increase in occupational disorder in the Ti and Mn sites induced by La dopping / Mestrado / Física / Mestre em Física

Le but de cette thèse est de décrire l'impact des fluctuations thermiques quantiques sur les spectres XANES et RMN du solide, à l'aide d'une étude conjointe expérimentale et théorique. Ce projet comporte deux volets. D'une part, il s'agit d'acquérir des données expérimentales de très bonne qualité, afin d'observer et comprendre l'influence des vibrations quantiques dans les oxydes d'éléments légers. D'autre part, un modèle théorique est mis en place afin de reproduire les effets observés expérimentalement et décrire leur origine d'un point de vue fondamental. L'approche théorique développée est fondée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Dans le cadre de l'approximation de Born-Oppenheimer et de l'approximation quasi-harmonique, les fluctuations thermiques de nature quantiques sont modélisées en générant des configurations atomiques obéissant à la statistique quantique à température finie. Les spectres XANES et paramètres RMN sont, par la suite, calculés dans ces configurations et les résultats moyens sont comparés aux données spectroscopiques à température finie. Cette approche a été validée par une étude menée dans une série d'oxydes d'éléments légers, où les résultats se sont avérés être en excellent accord avec les données expérimentales originales que nous avons enregistrées. En outre, il est montré que les fluctuations quantiques des noyaux ne jouent pas le même rôle selon la symétrie locale du site atomique sondé. / In this thesis the impact of quantum thermal fluctuations on XANES and solid-state NMR spectra is described using an experimental and theoretical joint study. This project has two components. First, high-quality experimental data are acquired in order to observe and understand the influence of quantum vibrations in light-elements oxides. Second, a theoretical model is set up to reproduce the effects observed experimentally and describe their origin from a fundamental point of view. The developed theoretical approach is based on the density-functional theory. Within the Born-Oppenheimer and quasiharmonic approximations, the quantum thermal fluctuations of nuclei are modeled by generating atomic configurations obeying quantum statistics at finite temperature. The XANES spectra and NMR parameters are subsequently calculated in these configurations and the average results are compared with spectroscopic data at finite temperature. This approach has been validated by a joint theoretical-experimental study conducted in a series of light-element oxides, where the results were found to be in excellent agreement with the original experimental data. In addition, it is shown that the impact of the quantum fluctuations of the nuclei is influenced by the local symmetry of the probed atomic site.

Electronics industry has been developing at a tremendous rate for last five decades and currently is one of the biggest industries in the world. The key to the rapid growth of electronics industry is innovation that made possible the constant scaling of transistors with reduced cost and improved performance. Scaling transistors were simpler at the beginning, but currently as the gate length of transistors has reached few nanometers, different short channel effects have emerged and power density of transistors has also increased drastically, which made further scaling much more challenging. To study electro-thermal transport in these reduced dimensionality devices, continuum models are no longer sufficient. In this work, the electrical and thermal transport properties have been modeled by solving Boltzmann Transport Equation (BTE) for electrons and phonons, respectively, using the Monte Carlo (MC) technique. To solve BTE for the phonons, a coupled Molecular Mechanics-Monte Carlo approach is employed where phonon band-structure is obtained using the atomistic modified Valence Force Field (VFF) model and is coupled with a Monte Carlo Phonon Transport kernel which solves the BTE for phonons. The phonon-phonon scattering is modeled in relaxation time approximation (RTA) using Holland’s formalism. Diffusive boundary scattering for phonons has been modeled using the Beckmann-Kirchhoff (B-K) surface roughness scattering model taking into account the effects of phonon wavelength, incident angles and degree of surface roughness. The effect of rough surface on longitudinal acoustic (LA) and transverse acoustic (TA) phonon branches has been studied with the help of the B-K model and it has been found that, at elevated temperatures, there is less backscattering to the LA branch due to rough surface. Effort has been made then to couple the developed phonon Monte Carlo transport simulator with an electron Monte Carlo transport simulator to study the origin and effects of self-heating in a nanoscale field-effect transistor (FET). In contrast to the widely used continuum model, where Fourier heat diffusion equation is usually solved to describe the thermal transport, the simulator developed in this dissertation treats both the electrons and the phonons at the particle level. Acoustic and intervalley g and f type electron-phonon scattering mechanisms are considered and the resulting local temperature modification has been used to bridge the electron and phonon transport paths. Phonon transport at the oxide-silicon interface has been modeled using the Diffuse Mismatch (DM) model, whereas, the phonons in the oxide have been described using the Debye model and temperature and frequency dependent relaxation time. The simulator is then benchmarked and used to study the electron-phonon transport processes in a FinFET device with a gate length of 18 nm, channel width of 4 nm, and a fin height of 8 nm. Preliminary results show that there can be a current degradation of as high as ~9.56% due to self-heating effect. Also, temperature in the entire channel region could rise due to self-heating. The maximum temperature rise in the channel region is found to be ~30K.

In absence of external fields, vibrational modes of periodic systems are usually considered as linearly polarized and, as such, they do not carry angular momentum. Our work proves that non-adiabatic effects due to the electron-phonon coupling are time-reversal symmetry breaking interactions for the vibrational field in systems with non-collinear magnetism and large spin-orbit coupling. Since in these systems the deformation potential matrix elements are necessarily complex, a nonzero synthetic gauge field (Berry curvature) arises in the dynamic equations of the ionic motion. As a result, phonon modes are elliptically polarized in the non-adiabatic framework and intrinsic vibrational angular momenta occur even for non-degenerate modes and without external probes. These results are validated by performing fully relativistic ab-initio calculations on two insulating platinum clusters and a metallic manganese compound, with non-collinear magnetism. In both cases, non-adiabatic vibrational modes carry sizeable angular momenta comparable to the orbital electronic ones in itinerant ferromagnets.

Généralement, un bon conducteur thermique est aussi bon conducteur électrique (Wiedemann-Franz). Pour de nombreuses applications, il est impératif de pouvoir découpler ces deux propriétés. La nanostructuration permet de modeler les propriétés thermiques sans affecter les propriétés électriques. Lors de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à la caractérisation d'un matériau initialement isolant dans lequel est insérée une assemblée de nanoparticules métalliques. Le nanocomposite élaboré est constitué de nanoparticules cœur@écorce (Au@SiO2 ou Au@Thiol) structurées en opale par méthode de type "Langmuir". Lorsque la concentration en nanoparticules est suffisante, une amplification du transfert thermique dans le nanocomposite est prédite par certains auteurs. Le couplage par rayonnement en champ proche, majoritairement plasmonique, constitue un nouveau mécanisme de transport de chaleur. Dans ce travail, nous avons étudié le transfert d'énergie au sein de nanoparticules isolées et sous forme de réseau. Dans un premier temps, nous présentons les techniques de synthèse chimique mises en œuvre pour la conception des nanocomposites et détaillons leurs propriétés optiques. Puis, nous présentons la conception du banc de mesure, il s'agit d'un banc d'imagerie pompe-sonde femtoseconde accordable en longueur d'onde permettant des études en réflexion et transmission. Les expériences que nous avons menées nous ont permis d'étudier la dynamique thermique électronique de nanoparticules d'or pour différents environnements et de mettre en évidence expérimentalement des modes de vibration acoustiques de systèmes cœur-écorce lorsqu'ils sont soumis à une excitation laser femtoseconde. / Typically, a good thermal conductor is also a good electrical conductor (Wiedemann-Franz). For several applications, it is imperative to be able to decouple these two properties. Nanostructuration allows for the modification of thermal properties without affecting electrical properties. This thesis is concerned with the synthesis and characterization of nanocomposites made from an insulating matrix impregnated with metallic nanoparticles. The elaborated nanocomposite is assembled from core@shell nanoparticles (Au@SiO2 or Au@Thiol) structured in an artificial opal by the "Langmuir" method. When the nanoparticle concentration is sufficiently high, certain authors predict an amplification of thermal transport in the nanocomposite. The radiative near-field coupling, largely plasmonic, constitutes a new mechanism for heat transport. In this work, we have studied the energy transfer within isolated nanoparticles and in arrays. First, we present chemical synthesis techniques used for the nanocomposites conception and detailed their optical properties. Then, we present the conception of the experimental set-up; a multicolor femtosecond pump-probe Imaging system permitting studies in reflection or transmission. These experiments permit us to study the electronic temperature dynamics of gold nanoparticles in different environments and to measure core@shell system's acoustic vibrational modes femtosecond laser excitation.

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Les phonons mous et le couplage électron-phonon sont considérés comme responsables d’un grand nombre de transition de phase. Pour en comprendre complétement les mécanismes, il est nécessaire d’étudier à la fois les modifications structurales, les changements de configuration électronique et les dynamiques de réseau cristallin. De toute évidence, cela représente une charge de travail expérimental et théorique considérable, voire même hors d’atteinte.Néanmoins, il est parfois possible d’introduire certaines simplifications et d’ainsi rendre une telle étude réalisable. C’est le cas pour les deux systèmes au cœur de ce travail de thèse, pour lesquels la transition de phase peut être diviser en deux instabilités : l’une est structurale, intrinsèque aux éléments constitutifs du système et l’autre, superposée, provient de la configuration électronique. L’interaction entre ces instabilités est illustrée à travers l’exemple de deux systèmes à priori hétérogènes, la famille des bronzes monophosphate de tungstène d’une part et l’antimoine d’autre part, qui révèleront finalement posséder des similarités inattendues. La combinaison des techniques de diffusion diffuse et de diffusion inélastique de rayons X permet des observations qualitatives et une meilleure compréhension de la situation pour les deux systèmes.Les bronzes monophosphate de tungstène font partie de la famille des oxydes quasi-2D, (PO2)4(WO3)2m, qui ont la particularité d’être sujet à des instabilités de type onde de densité de charges (ODC). Ces bronzes sont constitués d’une structure de perovskite vide composée par des couches octaédriques (WO3)2m. L’épaisseur de chacune de ces couches est définie par la valeur de m, qui mène ainsi à différents types de phase d’ODC. Le cas du terme m=2 a aussi été étudié car le fait que les chaînes zig-zag y soient isolées conduit à une instabilité quasi-1D. La présence d’une phase d’ODC a été découverte à TC=270K avec q=0.25b*. Cette phase est engendrée par le mouvement à corps rigide, plus exactement, par les basculements corrélés des octaèdres. Pour les autres termes (m=6,7 et 8), l’instabilité structurale a une origine différente et est liée à l’agencement en couches de WO3, plus particulièrement aux déplacements corrélés des chaînes W-O-W-O. Ces derniers sont la cause d’une forte diffusion diffuse sur des plans spécifiques, résultant de la présence de phonons ’relativement’ mous localisés dans la même région. Ensuite, l’emboitement de la surface de Fermi quasi-2D est à l’origine de l’ancrage du vecteur de modulation sur une valeur spécifique de transfert de moment, définit par l’interaction de deux instabilités, structurale et électronique. De façon remarquable, l’amplitude des déplacements des atomes de tungstène dans le terme m=8 est beaucoup plus élevée que dans le m=6.L’antimoine à température ambiante possède une structure rhomboédrique, dérivant d’une légère distorsion de la structure cubique primitive (CP) par transition de Peierls. Sous pression, la distorsion se réduit sans toutefois disparaître complétement, puisque l’antimoine se transforme dans un premier temps en une série de structures complexes, pour finalement adopter celle possédant la plus grande symétrie, la structure cubique centrée (CC). De la même façon que pour les bronzes, les caractéristiques de la diffusion diffuse ainsi que, dans une certaine mesure, les particularités de la dynamique du réseau rhomboédrique, s’expliquent à travers de l’instabilité du réseau cubique primitif. Cette dernière est liée aux déplacements corrélés dans les chaînes avec direction pseudo-cubique <100>. En outre, les détails de la transition de phase peuvent être explicités par l’association de l’analyse des vecteurs critiques de la transformation CC-CP avec les résultats expérimentaux obtenus sur la dépendance en pression de l’énergie des phonons. / A large number of phase transitions can be interpreted as being driven by phonon softening and/or electron-phonon coupling. Thus, a full mechanistic description requires the understanding of structural transformation, changes in electronic structure and lattice dynamics. All together this represents an enormous, for many cases unrealisable, experimental and theoretical effort.However, with the introduction of appropriate assumptions the problem may be simplified. Here we concentrate on two systems, where the interpretation of the phase transition may be split into an intrinsic instability of the building blocks combined with a superimposed electronic instability. We illustrate the interplay between the framework and electron-phonon-related instabilities using the seemingly heterogeneous examples of phosphate tungsten bronzes and elementary antimony. Based on the combined results from diffuse and inelastic X-ray scattering, we propose for the two systems a picture that explains the experimental observations. The similarities found between these two systems are deemed to be rather surprising.Monophosphate tungsten bronzes are a family of quasi-2D-oxides, (PO2)4(WO3)2m, that exhibits charge density wave (CDW) instability. They contain empty perovskite WO3 slabs with varying thickness between different members, characterised by the $m$ value. This thickness defines the sequence of charge density wave phases that appear on cooling. The degenerate case of $m$=2, presenting a quasi-1D instability, was explored since the WO3-octahedra zig-zag chain is isolated. A CDW phase (TC=270K and q=0.25b*) is found to be linked to a rigid-body motion, precisely, to a correlation in the tilting of the octahedra. For the others studied members, as m=6,7 and 8, we found another kind of structural instability. In this case the origin comes from the WO$_3$ slabs framework, realised as correlated displacements of tungsten atoms along the octahedral 4-fold axis direction (W-O-W-O direction). This leads to a strong x-ray diffuse scattering localised in specific planes, linked to relatively soft phonons modes. Specific Fermi surface nesting, close to the 2D case, gives rise to a freezing of the modulations at the specific momentum transfer, defined by the interplay of two instabilities, the structural and electronic one. Remarkably, the displacements of W for m=8 are much superior than in m=6.Elemental antimony at ambient condition has an A7 rhombohedral structure, obtained by small distortion from primitive cubic (PC) lattice through a Peierls transition. Under pressure, the distortion is reduced, but remains finite, as antimony transforms through a series of highly complex structures, before adopting as last the highest-symmetry body-centred cubic (BCC) phase. The main diffuse scattering features and to some extent the peculiarities in the lattice dynamics of the A7 phase – as above - can be explained by the instability of the primitive cubic network with respect to correlated displacements along the chains with <100> pseudo-cubic directions. Analysis of critical vectors for the BCC-PC transformation together with experimentally obtained phonon-energies pressure dependence provides further insights into the details of the phase transformation.