Ordre par le désordre structural et les effets du champ magnétique dans les systèmes frustrés

Competing interactions is an essential feature of frustrated systems, they stand behind the large degeneracy of classical or mean-field ground states produce degeneracy of classical mean-field ground states.In many cases the degeneracy can be lifted by thermal and quantum fluctuations, such mechanism is commonly called order from disorder. Experimentally studied magnetic systems inevitably contain a finite amount of structural disorder. In this work the influence of defects, namely vacancies and bond disorder, on a degenerate ground state manifold is studied for various frustrated systems. We find that quenched disorder is also capable of consistently lifting the degeneracy, moreover, it has in a wide range of frustrated systems. Moreover, the effect of quenched disorder leads toan opposite tendency, compared to the order by disorder mechanism, produced by fluctuations. For every considered model, analytic energy corrections are derived in the form of effective anisotropic terms, which act on the manifold of degenerate ground states. Analytical arguments are confirmed by numerical calculations, which include energy minimization and classical Monte Carlo simulations. The detected sequences of ordered states is attributed to competition of fluctuations and structural disorder. The observed effect can open additional possibilities in tuning magnetic structure of the system. Finally, the effect of external magnetic field is investigated for the pure XY pyrochlore antiferromagnet. Depending on the field orientation we observe phase transitions, which do not exist within the mean-field description of the system.They are generalizations of the spin-flop transition for the case of broken discrete ℤ_k symmetry with k≻2.La compétition des interactions est une caractéristique essentielle des systèmes frustrés, elle est à l'origine d'une large dégénérescence des états fondamentaux classiques ou, obtenus par une théorie de champ moyen. Fréquemment la dégénérescence peut être levée par des fluctuations thermiques ou quantiques, ce qui constitue la base du mécanisme appelé ordre par le désordre. Les systèmes magnétiques étudiés expérimentalement contiennent une quantité inévitable de désordre structural. Dans cette thèse de doctorat, l'influence des défauts, créé par des sites inoccupés ou par un désordre des liens sur l'espace dégénéré des états fondamentaux est étudiée pour des systèmes frustrés divers. Nous avons trouvé qu'un désordre structural est, lui aussi, capable de lever systématiquement la dégénérescence; par ailleurs, la tendance est inverse par rapport au le mécanisme d'ordre par le désordre produit par les fluctuations. Pour chacun des modèles considérés, les corrections à l'énergie ont été calculées sous la forme de termes anisotropes effectifs qui agissent sur l'espace dégénéré des états fondamentaux.Ces arguments analytiques ont été confirmés par des calculs numériques que nous avons effectués par minimisation de l'énergie, ainsi que par simulation de type Monte-Carlo classique. La séquence des états ordonnés que nous avons détectée est attribuée à la compétition entre l'effet d'ordre induit par les fluctuations et celui induit par les défauts structuraux. L'effet observé peut ouvrir des possibilités supplémentaires de contrôler la structure magnétique des systèmes. Enfin, les effets d'un champ magnétique externe ont été étudiés pour le système antiferromagnétique pyrochlore pur avec anisotropie de plan facile.Nous avons observé des transitions de phases qui dépendent de l'orientation du champ et qui n'existent pas dans la description de type champ moyen du système. Elles constituent une généralisation des transitions de type spin-flop pour le cas de la symétrie discrète ℤ_k brisée avec k≻2

Ordre par le désordre structural et les effets du champ magnétique dans les systèmes frustrés

Competing interactions is an essential feature of frustrated systems, they stand behind the large degeneracy of classical or mean-field ground states produce degeneracy of classical mean-field ground states.In many cases the degeneracy can be lifted by thermal and quantum fluctuations, such mechanism is commonly called order from disorder. Experimentally studied magnetic systems inevitably contain a finite amount of structural disorder. In this work the influence of defects, namely vacancies and bond disorder, on a degenerate ground state manifold is studied for various frustrated systems. We find that quenched disorder is also capable of consistently lifting the degeneracy, moreover, it has in a wide range of frustrated systems. Moreover, the effect of quenched disorder leads toan opposite tendency, compared to the order by disorder mechanism, produced by fluctuations. For every considered model, analytic energy corrections are derived in the form of effective anisotropic terms, which act on the manifold of degenerate ground states. Analytical arguments are confirmed by numerical calculations, which include energy minimization and classical Monte Carlo simulations. The detected sequences of ordered states is attributed to competition of fluctuations and structural disorder. The observed effect can open additional possibilities in tuning magnetic structure of the system. Finally, the effect of external magnetic field is investigated for the pure XY pyrochlore antiferromagnet. Depending on the field orientation we observe phase transitions, which do not exist within the mean-field description of the system.They are generalizations of the spin-flop transition for the case of broken discrete ℤ_k symmetry with k≻2.La compétition des interactions est une caractéristique essentielle des systèmes frustrés, elle est à l'origine d'une large dégénérescence des états fondamentaux classiques ou, obtenus par une théorie de champ moyen. Fréquemment la dégénérescence peut être levée par des fluctuations thermiques ou quantiques, ce qui constitue la base du mécanisme appelé ordre par le désordre. Les systèmes magnétiques étudiés expérimentalement contiennent une quantité inévitable de désordre structural. Dans cette thèse de doctorat, l'influence des défauts, créé par des sites inoccupés ou par un désordre des liens sur l'espace dégénéré des états fondamentaux est étudiée pour des systèmes frustrés divers. Nous avons trouvé qu'un désordre structural est, lui aussi, capable de lever systématiquement la dégénérescence; par ailleurs, la tendance est inverse par rapport au le mécanisme d'ordre par le désordre produit par les fluctuations. Pour chacun des modèles considérés, les corrections à l'énergie ont été calculées sous la forme de termes anisotropes effectifs qui agissent sur l'espace dégénéré des états fondamentaux.Ces arguments analytiques ont été confirmés par des calculs numériques que nous avons effectués par minimisation de l'énergie, ainsi que par simulation de type Monte-Carlo classique. La séquence des états ordonnés que nous avons détectée est attribuée à la compétition entre l'effet d'ordre induit par les fluctuations et celui induit par les défauts structuraux. L'effet observé peut ouvrir des possibilités supplémentaires de contrôler la structure magnétique des systèmes. Enfin, les effets d'un champ magnétique externe ont été étudiés pour le système antiferromagnétique pyrochlore pur avec anisotropie de plan facile.Nous avons observé des transitions de phases qui dépendent de l'orientation du champ et qui n'existent pas dans la description de type champ moyen du système. Elles constituent une généralisation des transitions de type spin-flop pour le cas de la symétrie discrète ℤ_k brisée avec k≻2

Order by structural disorder and field effects in frustrated systems

La compétition des interactions est une caractéristique essentielle des systèmes frustrés, elle est à l'origine d'une large dégénérescence des états fondamentaux classiques ou, obtenus par une théorie de champ moyen. Fréquemment la dégénérescence peut être levée par des fluctuations thermiques ou quantiques, ce qui constitue la base du mécanisme appelé ordre par le désordre. Les systèmes magnétiques étudiés expérimentalement contiennent une quantité inévitable de désordre structural. Dans cette thèse de doctorat, l'influence des défauts, créé par des sites inoccupés ou par un désordre des liens sur l'espace dégénéré des états fondamentaux est étudiée pour des systèmes frustrés divers. Nous avons trouvé qu'un désordre structural est, lui aussi, capable de lever systématiquement la dégénérescence; par ailleurs, la tendance est inverse par rapport au le mécanisme d'ordre par le désordre produit par les fluctuations. Pour chacun des modèles considérés, les corrections à l'énergie ont été calculées sous la forme de termes anisotropes effectifs qui agissent sur l'espace dégénéré des états fondamentaux.Ces arguments analytiques ont été confirmés par des calculs numériques que nous avons effectués par minimisation de l'énergie, ainsi que par simulation de type Monte-Carlo classique. La séquence des états ordonnés que nous avons détectée est attribuée à la compétition entre l'effet d'ordre induit par les fluctuations et celui induit par les défauts structuraux. L'effet observé peut ouvrir des possibilités supplémentaires de contrôler la structure magnétique des systèmes. Enfin, les effets d'un champ magnétique externe ont été étudiés pour le système antiferromagnétique pyrochlore pur avec anisotropie de plan facile.Nous avons observé des transitions de phases qui dépendent de l'orientation du champ et qui n'existent pas dans la description de type champ moyen du système. Elles constituent une généralisation des transitions de type spin-flop pour le cas de la symétrie discrète ℤ_k brisée avec k≻2.Competing interactions is an essential feature of frustrated systems, they stand behind the large degeneracy of classical or mean-field ground states produce degeneracy of classical mean-field ground states.In many cases the degeneracy can be lifted by thermal and quantum fluctuations, such mechanism is commonly called order from disorder. Experimentally studied magnetic systems inevitably contain a finite amount of structural disorder. In this work the influence of defects, namely vacancies and bond disorder, on a degenerate ground state manifold is studied for various frustrated systems. We find that quenched disorder is also capable of consistently lifting the degeneracy, moreover, it has in a wide range of frustrated systems. Moreover, the effect of quenched disorder leads toan opposite tendency, compared to the order by disorder mechanism, produced by fluctuations. For every considered model, analytic energy corrections are derived in the form of effective anisotropic terms, which act on the manifold of degenerate ground states. Analytical arguments are confirmed by numerical calculations, which include energy minimization and classical Monte Carlo simulations. The detected sequences of ordered states is attributed to competition of fluctuations and structural disorder. The observed effect can open additional possibilities in tuning magnetic structure of the system. Finally, the effect of external magnetic field is investigated for the pure XY pyrochlore antiferromagnet. Depending on the field orientation we observe phase transitions, which do not exist within the mean-field description of the system.They are generalizations of the spin-flop transition for the case of broken discrete ℤ_k symmetry with k≻2

Opto-electrical simulation of III-V nanowire based tandem solar cells on Si

International audienceDue to their nanostructured surface, nanowire-based solar cells are good candidates to increase light absorption in thin film solar cells. Among these structures, III-V nanowires grown on silicon substrates, in the form of a tandem solar cell, are particularly interesting to reach high efficiencies. The aim of this work is to perform optical and electrical simulations of tandem solar cells based on III-V nanowire arrays grown on silicon and to compare two different semiconductor compounds (GaAs0.8P0.2 and Ga0.8Al0.2As) with a band gap of 1.7 eV (optimal on Si) for the nanowire array.The simulated structure is composed of a periodic core-shell GaAs0.8P0.2 or Ga0.8Al0.2As nanowire (NW) array on a silicon substrate. In our simulations we are also taking into account a thin (5nm) passivating layer, the oxide used for the encapsulation of the nanowires and the top transparent conducting oxide. The height H of the nanowires is equal to 1.5 µm which is a realistic value from a technological point of view.Optical simulations are performed with an in-house Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) software. To optimize the absorption of light in the structure, we are taking into account the current matching between the two solar cells in order to find the best geometry of the nanowire array. From the optical simulation, the generation rate is calculated and used as an input for the electrical simulation performed with the TCAD software Sentaurus. From the electrical simulation the power conversion efficiency is extracted for various doping profiles allowing its optimization. The influence of recombination in the multijunction structure are also analysed. Opto-electrical simulations demonstrate that optimal geometries and efficiencies are very similar for the two semiconductors used for the nanowires

Technological guidelines for the design of tandem III-V nanowire on Si solar cells from opto-electrical simulations

International audienceEffect of geometrical and structural parameters on the efficiency of the tandem solar cell based on the III-V nanowire array on silicon is studied by the means of coupled opto-electrical simulations. A close to realistic structure, consisting of AlGaAs core-shell nanowire array, connected through a tunnel diode to a Si subcell is modelled, revealing the impact of top contact layer, growth mask and tunnel junction. Optical simulation of the tandem structure under current matching condition determine optimal geometrical parameters of the nanowire array. They are then used in the extensive electrical optimization of the radial junction in the nanowire subcell. Device simulations show the necessity of high doping of the junction in order to avoid full shell depletion. The influence of bulk and surface recombination on the performance of the top subcell is studied, exposing the importance of the good surface passivation near the depleted region of the radial junction. Finally, simulations of the fully optimized tandem structure show that a promising efficiency of with the short-circuit current of can be achieved with reasonable bulk and surface carrier lifetime

Opto-electrical simulations of tandem solar cells based on III-V nanowires on silicon substrate

session poster (C.P2.15)International audienc

Opto-electrical simulations of tandem solar cells based on III-V nanowires on silicon substrate

session poster (C.P2.15)International audienc

Cellules photovoltaïques à base de nanofils

EC02National audienc

GaAs/AlGaAs core/shell nanowires on Si substrates for photovoltaics: toward an optimized tandem solar cell

International audienceSince LaPierre's first theorization of a nanowires (NWs)-based tandem solar cell (TSC) on Si substrate, 1 other theoretical studies have been carried out to investigate the high potentialities of such devices, 2 which can virtually reach an efficiency around 34 %. In spite of these very promising results, the research in this field has not yet developed that much on a practical level: to the best of our knowledge only one prototype of TSC has been realized so far by Yao et al, 3 and although not completely optimized, it reached the high conversion efficiency value of 11.4 %. Based on these considerations, we aimed to develop a fully optimized TSC capable to achieve higher efficiencies. 4 This consists in a top cell made of an ordered array of GaAs/AlGaAs core/shell NWs, with a radial p-in junction in the AlGaAs shell, directly grown on a bottom cell of Si(111), as shown in Figure 1(a). The optimization work has been carried out in different steps, i.e. theoretical simulations to identify the best set up for the array, optimization of the NW structure, composition and morphology, investigation for the most suitable passivation shell and growth on patterned substrates. The last point has notably lead to significant results, since we develop a protocol to obtain very high vertical yields (from 80 % to 90 %) of GaAs/AlGaAs core/shell NWs on large patterned areas (0.9 cm x 0.9 cm), as shown in Figure 1(b). Following these promising results, we are currently committed to using our ordered arrays of NWs for the fabrication of a TSC, now focusing our work on encapsulating and contacting the nanostructures: despite the complexity of the system, EBIC results in this respect (cf. V. Piazza's abstract) are encouraging and suggest that the realization of the TSC is at our fingertips. 5 Figure 1. (a) Scheme of the ultimate structure of the TSC. (b) Ordered array of p-GaAs core / p-in AlGaAs shell NWs on Si(111) with a high vertical yield (80-90 %); white scale bar corresponding to 2 µm

Core-shell AlGaAs nanowires for high efficiency tandem solar cell on Si

session III-V, Multijonctions, NanofilsNational audienc