Thèse soutenue

Simulation quantique du transport électronique dans les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels désordonnés

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Auteur / Autrice : Jejune Park
Direction : Mireille Mouis
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
Date : Soutenance le 19/06/2020
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (2007-....)
Jury : Président / Présidente : Laurence Magaud
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Charlier, Blanca Biel
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Dollfus, Stéphan Roche

Résumé

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La découverte du graphène en 2004 a suscité un grand intérêt pour les matériaux bidimensionnels (2D). En particulier, ces dernières années, les matériaux 2D semi-conducteurs sont à l'honneur pour leur utilisation potentielle en électronique et optoélectronique. Du point de vue des transistors à effet de champ, leur épaisseur atomique permet un contrôle électrostatique amélioré et leur surface auto-passivée réduit le risque potentiel de pièges de charge. De façon plus importante encore, contrairement au graphène qui est semi-métallique, la présence de la bande interdite dans les TMDs permet un rapport entre courants à l’état passant et à l’état bloqué élevé dans les dispositifs logiques. Parmi ces matériaux semi-conducteurs, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs), avec leur grande variété de bandes interdites et d'alignements de bandes, ont attiré une attention particulière pour leur possible utilisation dans les transistors, à la fois comme matériaux monocouches ou combinés dans des hétérostructures van der Waals. Pour de telles applications, la qualité des TMDs est une priorité, car la présence de défauts peut affecter de manière significative le transport d'électrons, conduisant ainsi à une dégradation des performances.La présente thèse rend compte de l'impact de divers défauts, qui sont souvent observés dans des échantillons expérimentaux, sur les propriétés de transport des TMDs. L’étude est basée sur des simulations de transport quantique, qui combinent une description atomistique de type liaisons fortes du système et le formalisme de la fonction de Green.La première partie de la thèse présente brièvement les matériaux 2D, y compris leurs propriétés, leur synthèse et leurs applications. Les bases de la méthode de simulation sont également détaillées. En particulier, une revue exhaustive des modèles hamiltoniens pour les TMDs, avec un accent particulier sur les méthodes des liaisons fortes, est présentée. De plus, le formalisme de la fonction de Green, qui est la méthodologie adoptée pour les simulations de transport quantique effectuées dans la présente thèse, est brièvement passé en revue.Dans la deuxième partie de la thèse, deux types de défauts typiques des TMDs sont simulés et les résultats physiquement interprétés. La première étude concerne la rugosité des bords des rubans MoS2, qui jouent un rôle important dans la miniaturisation des transistors à base de TMDs. La deuxième étude se concentre sur les joints de grains de type mirror-twin, qui sont souvent présents dans le MoS2 polycristallin obtenu par des approches de synthèse à grande échelle, comme le dépôt chimique en phase vapeur ou l'épitaxie par faisceau moléculaire. Le rôle du couplage spin-orbite, qui est important dans les TMDs, est également pris en compte. Les résultats de ces études sont analysés quantitativement en termes de régimes de transport quasi balistique, diffusif et localisé.Les principaux résultats de cette thèse sont une meilleure compréhension et prédiction de l'impact des défauts sur les propriétés de transport des TMDs, avec une application possible dans la conception de dispositifs performants basés sur les TMDs.