Transitions de phases et propriétés électroniques de couches 2D de WTe2 et MoTe2

Phase transitions and electronic properties of WTe2 and MoTe2 2D thin films

• Auteur / Autrice : Hugo Kowalczyk
• Direction : Abhay Shukla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Cassaignon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johan Biscaras, Luca Perfetti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Clément Barraud, Fabian Cadiz
• DOI : 10.70675/eda00983zcad6z4427z87f8zbad4fff261c8

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Couches minces

Propriétés électroniques

Métaux de transition

Spectroscopie Raman

Effet Hall

Mots clés libres

Dichalcogénures de métaux de transition

Matériaux 2D

Transitions de phases

Gigantesque Magnétorésistance et Effet Hall

Semi-Métaux compensés

Synthèse de Monocristaux

Transition Metal Dichalcogenides

2D Materials

Phases transitions

Giant Magnetoresistance and Hall effect

Compensated Semi-Metals

Monocrystals Synthesis

Résumé

Cette thèse présente l’étude des propriétés électroniques et de transitions de phases de deux dichalcogénures de métaux de transition en couches fines : WTe2 et MoTe2. L’intérêt de ces matériaux réside dans leurs phases métastables à température et pression ambiantes, 1T’ et Td, les classant dans les semi-métaux de Weyl. Grâce à un échange réalisé à IISER Pune en Inde, nous avons pu synthétiser des monocristaux de 2H-MoTe2, 1T’-MoTe2 et Td-WTe2 par transport chimique en phase vapeur (CVT). Ces cristaux d’une grande qualité ont pu être caractérisés par DRX, MEB-EDX et spectroscopie Raman. Nous avons ensuite exfolié ces derniers par la méthode de collage anodique propre à notre laboratoire pour les caractériser en couches minces, puis mettre en place des dispositifs de mesure de transport grâce à l’évaporation de contacts en Or. Dans le contexte de pluralité de phases stables et métastables des dichalcogénures de métaux de transition, l’étude des transitions entre ces phases est très intéressante. Nous présentons la transition en température 1T’-Td dans MoTe2 et observons l’impact de l’épaisseur sur la température de transition, pouvant ainsi établir un diagramme de phase. Également, nous prouvons l’absence de transition 2H-1T’ et de sa réversibilité dans une monocouche de MoTe2 induite purement par dopage électrostatique, revendiquée dans des travaux récents. Cette transition, de la phase semi-conductrice vers la phase semi-métallique, présente un fort potentiel d’application dans le domaine des nanotechnologies comme switch électronique. Nous mettons en évidence, grâce à une expérience de dopage par charge d’espace fort et de mesure par spectroscopie Raman, le rôle de la migration du Tellure et de la création de lacunes dans cette transition. Nous avons également mesuré les propriétés de transport (magnétorésistance et effet Hall) de différente épaisseur de couches de Td-WTe2. Grâce à l’ajustement des paramètres d’un modèle à deux porteurs, nous avons déterminé les densités de porteurs ainsi que leurs mobilités et avons relié nos résultats à la théorie des semi-métaux compensés responsable de la gigantesque magnétorésistance de ce matériau. Ces expériences mettent en évidence le comportement plus résistif des couches les plus fines accompagné d’anti-localisation faible à basse température, tandis que les couches les plus épaisses sont plus conductrices et présentent des oscillations quantiques Shubnikov-de Haas à fort champ magnétique.

This work presents the study of phase transitions and electronic properties of two transition metal dichalcogenides: WTe2 and MoTe2. The relevance of those materials lies in its two metastable phases at ambient pressure and temperature, 1T’ and Td, classifying them as Weyl semi-metals. We had the chance to synthesize 2H-MoTe2, 1T’-MoTe2 and Td-WTe2 monocrystals by chemical vapour transport during an exchange at IISER Pune in India. High quality resulting crystals were characterized by XRD, SEM-EDX and Raman spectroscopy. Then we could exfoliate it by the anodic bonding method proper to our laboratory, characterize their 2D form and build electronic measurement devices by gold contact deposition. In the context of multiple transition metal dichalcogenides stable and metastable phases, the study of the transitions between those phases is very interesting. We first present 1T’ to Td temperature induced phase transition in MoTe2 and observe the impact of layer thickness on transition temperature and establish a phase diagram. Then, we prove the absence of 2H to 1T’ transition and its reversibility in a MoTe2 monolayer purely induced by electrostatic doping, claimed by recent works. This transition, from semi-conductive to semi-metallic phase is likely predicted for applications in nanotechnologies as an electronic switch. Through space charge doping and Raman spectroscopy experiment, we highlight the role of Tellurium migration and the creation of vacancies in this transition. We also measured Td-WTe2 transport properties (magnetoresistance and Hall effect) of various layer thicknesses. Through a two band model parameters adjustment, we could determine carriers densities and mobilities and relate them to compensated semi-metal theory responsible of Giant Magnetoresistance response of this material. Those experiments could highlight the more insulating behaviour of thinner layers and the presence of weak anti-localization at low temperature, whereas the thinner layers are more conductive and exhibits Shubnikov-de Haas quantum oscillations at high magnetic field.