Simulation quantique du phénomène de commutation résistive dans des empilements à base de matériaux 2D

Quantum simulation of resistive switching in 2D materials based stacks

• Auteur / Autrice : Gaelle Bigeard
• Direction : Francis Balestra
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Radiofréquences, Optique et Micro-nanoélectronique des Alpes

Mots clés

Mots clés libres

Transport quantique de charges

Nanoélectronique

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Quantum charge transport

Nanoelectronic

Density functional theory

Résumé

Depuis la découverte du graphène en 2004, beaucoup d'autres matériaux 2D ont été synthétisés. Parmi eux, les métaux dichalcogénides de transition ont attiré un fort intérêt pour des applications en nanoélectronique grâce à leur nature de semiconducteurs avec une large gamme de bandes interdites ; ainsi qu'avec leur épaisseur atomique, qui permet un excellent contrôle électrostatique. La possibilité d'empiler plusieurs couches a ouvert la voie à des dispositifs verticaux innovants, tel que des transistors à effet de champ tunnel pour de l'électronique à faible puissance et de l'électronique imprimable. La compréhension du transport des électrons à travers des systèmes 2D verticaux représente donc un important challenge pour les futurs développements de l'électronique 2D. Le but de ce doctorat est de comprendre théoriquement et numériquement des structures verticales en explorant leurs propriétés de transport électronique. L'accent sera en particulier mis sur les atomristors, qui sont des sandwiches de matériaux semiconducteurs 2D et de contacts métalliques. Ces systèmes ont été montrés comme capable de changer leur résistance électrique quand traversés par un large courant. Un tel phénomène est dû à des modifications de la structure atomique, qui ne sont pas encore clairement identifiées. Cela permet d'utiliser ces dispositifs comme mémoires ou commutateurs radiofréquence, ce qui est l'objectif du projet ANR SWIT. Ces systèmes ont un comportement quantique intrinsèque, dans le sens que la nature ondulatoire des électrons prédomine les propriétés de transport aux interfaces et dans les couches 2D. Leurs simulation nécessite donc l'utilisation d'une approche générale sur le transport électronique, tel que les fonctions de Green hors équilibre, ou encore une description atomistique ab initio de la structure électronique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Au/à la doctorant/e sera demandé de : - Calculer la structure électronique de sandwiches de métaux dichalcogénides de transition et de contacts métalliques en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. La hauteur des barrières des barrières de Schottky formées sera estimée. - Calculer la structure électronique et les propriétés de transport pour ces structures verticales en présence de lacunes, impuretés de substitutions, dislocations ou joints de grain. Les résultats clarifieront le rôle du désordre dans la résistance de l'état de haute résistance de l'atomristor. - Enquêter sur la stabilité énergétique d'îlots de métaux dichalcogénides de transition avec différentes structures atomiques, et simuler leur impact sur les propriétés de transport dans la structure verticale. L'objectif est de comprendre le mécanisme physique de la commutation dans l'atomristor et d'explorer l'état de faible résistance. Ce travail nécessitera d'apprendre et d'utiliser des codes numériques pour des calculs ab initio et pour le transport quantique. Il y aura des interactions régulières avec des collègues expérimentateurs du CEA-LETI et IEMN dans le cadre du projet SWIT. Les résultats du/de la doctorant/e seront importants pour identifier les combinaisons idéales de métaux dichalcogénides de transition et de contacts métalliques pour obtenir des dispositifs à très haute résistance dans l'état off, et pour clarifier le mécanisme de commutation.

Since the discovery of graphene in 2004, many other layered materials have been synthetized. Among them, transition metal dichalcogenides have attracted a strong interest for applications in nanoelectronics thanks to their semiconducting nature with a variety of band gaps, and their atomic thickness, which allows an excellent electrostatic control. The possibility of stacking different layers has opened the path to innovative vertical devices, such as tunnel field-effect transistors for low-power electronics and printable electronics. The understanding of the electron transport through vertical 2D systems thus represents an important challenge for the future development of 2D electronics. The goal of the PhD is to theoretically and numerically investigate these vertical structures by exploring their electronic and transport properties. The focus will particularly be on atomristors, which are sandwiches of semiconducting 2D materials and metallic contacts. These systems have been shown to change their electrical resistance to high or low values when traversed by a large current. Such a phenomenon is due to modifications of the atomic structure, which are not clearly identified at present. It allows the use of these devices as memories or in radiofrequency switches, which is the goal of the ANR SWIT project. These systems have an intrinsically quantum behavior, in the sense that the wave nature of electron governs the transport properties at the interfaces and in the 2D layers. Their simulation thus requires the use of a general electron transport approach, such as the non-equilibrium Green's function formalism, as well as an ab initio atomistic description of the electronic structure based on the density functional theory. The PhD student will be asked to: - Calculate the electronic structure of sandwiches of transition metal dichalcogenides and metallic contacts by means of density functional theory simulations. The height of the resulting Schottky barriers will be estimated. - Calculate the electronic structure and the transport properties of the vertical structures in the presence of vacancies, substitutional impurities, dislocations or grain boundaries. The results will clarify the role of disorder in determining the resistance of the high-resistance state in atomristors. - Investigate the energetic stability of islands of the transition metal dichalcogenide with different structural phases or migrated metal atoms, and simulate their impact on the transport properties of the vertical structure. The aim is to understand the physical mechanism of the switching in atomristor and to explore the low-resistance state. This work will require learning and using numerical codes for ab initio calculations and quantum transport simulations. There will be regular interactions with the experimental colleagues of CEA-LETI and IEMN in the frame of the SWIT project. The results of the PhD student will be important to identify the ideal combinations of transition metal dichalcogenides and metallic contacts to obtain devices with a very high resistance in the off state, and to clarify the switching mechanism.