Ingénierie des défauts dans les semi-conducteurs 2D : fabrication de dispositifs hybrides multifonctionnels

Defect engineering in 2D semiconductors : fabrication of hybrid multifunctional devices

• Auteur / Autrice : Stefano Ippolito
• Direction : Paolo Samorì
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Doudin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Artur Stefankiewicz, Felice Torrisi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Métaux de transition

Solutions (chimie)

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Ingénierie des défauts

Traitement en solution

Dichalcogénures de métaux de transition

Dispositifs multifonctionnels

Matériaux hybrides

Defect engineering

Solution processing

Transition metal dichalcogenides

Multifunctional devices

Hybrid materials

Résumé

Ce travail de thèse vise à développer de nouvelles stratégies de fonctionnalisation basées sur des approches d’ingénierie des défauts pour les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) traités en solution. Leurs défauts structurels inhérents, principalement les lacunes de soufre (VS) situées aux bords des nanofeuillets, se comportent comme des sites (ré)actifs pour former des systèmes hybrides caractérisés par de nouvelles propriétés et des performances améliorées.D’une part, l’utilisation de molécules dithiolées pour remédier aux VS dans les TMD entraîne la formation de réseaux interconnectés de manière covalente, présentant des caractéristiques uniques et des performances électriques supérieures. En particulier, la fabrication de transistors à couche mince à grille liquide révèle une amélioration de leurs principaux facteurs de mérite d’un ordre de grandeur, conduisant à des dispositifs électriques de pointe.D’autre part, les VS s’avèrent également favoriser la croissance spontanée de nanoparticules (NP) de métaux nobles. En fait, grâce au mécanisme de déplacement galvanique, les bords des nanofeuillets de TMD peuvent être sélectivement décorés avec des Au, Pd et PtNP, ce qui conduit à des matériaux multifonctionnels avec des performances améliorées en électrocatalyse et en détection.

This thesis work aims to develop new functionalization strategies based on defect engineering approaches for solution-processed transition metal dichalcogenides (TMDs). Their inherent structural defects, mainly sulfur vacancies (VS) located at the flake edges, behave as (re)active sites to form hybrid systems characterized by new properties and enhanced performance.On the one hand, the use of dithiolated molecules to heal VS in TMDs entails the formation of covalently interconnected networks, presenting unique features and superior electrical performance. In particular, the fabrication of liquid-gated thin-film transistors reveals an improvement of their main figures of merit by one order-of-magnitude, leading to state-of-the-art electrical devices.On the other hand, VS are found to promote the spontaneous growth of noble metal nanoparticles (NPs) as well. In fact, thanks to the galvanic displacement mechanism, flake edges of TMDs can be selectively decorated with Au, Pd and PtNPs, leading to multifunctional materials with improved performance in electrocatalysis and sensing.