ÉTUDE THÉORIQUE DES PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES ET THERMOÉLECTRIQUES DES MATÉRIAUX 2D ET DE LEURS HÉTÉROSTRUCTURES DE VAN DER WAALS

THEORETICAL STUDY OF ELECTRIC AND THERMOELECTRIC PROPERTIES OF 2D LAYEREDMATERIALS AND THEIR VAN DER WAALS HETEROSTRUCTURES

• Auteur / Autrice : Junbum Park
• Direction : Jérôme Saint-Martin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux 2D

Théorie de la fonctionelle de la densité

La Fonctions de Green hors équilibre

2D materials

Density functional theory

Non-equilibrium Green's functions

Résumé

Aujourd'hui, les matériaux bidimensionnels (2-D) et leurs hétérostructures de van der Waals (vdWH) sont étudiés en profondeur par la communauté scientifique en raison de leurs caractéristiques uniques, telles que la possibilité de moduler leur bande interdite, la disponibilité d'une hétérojonction sans liaison pendante ni fixation du niveau de Fermi et leur contrôle électrostatique optimal [1]. De plus, les nanostructures 2D basées sur ces matériaux devraient augmenter l'efficacité énergétique des dispositifs électroniques en raison de leur faible conductivité thermique [2]. Cependant, les vdWH ont commencé à émerger il y a seulement quelques années. Seule une fraction des possibilités presque infinies qu'elles offrent a été explorée jusqu'à présent. Dans ce doctorat, des solveurs de transport quantique à l'état de l'art, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) [3] et sur le formalisme de la fonction de Green hors équilibre [4] seront utilisés pour simuler les caractéristiques électriques et thermoélectriques des vdWH. Afin de calculer efficacement les calculs électroniques et de transport, nous commencerons par des calculs de DFT d'ondes planes, puis nous extrairons les Hamiltoniens sur une base réduite composée de fonctions de Bloch restreintes à des cellules unitaires en adoptant l'approche originale décrite dans [5] [6]. Les interactions entre les électrons et les phonons seront incluses dans l'approximation auto-cohérente de Born afin de garantir des prévisions de performances très précises. La validité des modèles sera testée en comparant les résultats des dispositifs basés sur la vdWH avec les données expérimentales disponibles. Ces résultats feront progresser notre compréhension de l'interaction électron-phonon dans les matériaux 2D à l'échelle atomique et les hétérojonctions vdW.

Nowadays, the two-dimensional (2-D) crystals and their van der Waals heterostructures (vdWHs) are deeply investigated by the scientific community due to the unique features such as the possibility to widely tune their band gap, the availability of heterojunction with neither dangling bonds nor Fermi level pinning and their optimal electrostatic control [1]. Moreover, 2D nanostructures based on these materials are expected to increase the energy efficiency of electronic devices due to their low thermal conductivity [2]. However, vdWH have started to emerge only few years ago. Only a fraction of the almost infinite possibilities they offer has been explored so far. In this PhD, state-of-the-art ab-initio quantum transport solvers, based on the density-functional theory [3] and the non-equilibrium Green's function formalism [4] will be employed to simulate electrical and thermoelectric characteristics of vdWHs. In order to efficiently compute electronic and transport calculations, we will start from plane-wave DFT calculations and then extract Hamiltonians in a reduced basis composed of unit-cell restricted Bloch functions by adopting the original approach described in [5] [6]. Electron interactions with phonons will be included within the self-consistent Born approximation to ensure very accurate performance predictions. The validity of the models will be tested by comparing the results for vdWH-based devices with available experimental data. These results will advance our understanding of the electron-phonon interaction in the atomistic scale 2D materials and vdW heterojunctions.