Iontronic - Étude de dispositifs à effet de champ à base des techniques de grilles liquides ioniques

par Johanna Seidemann

Thèse de doctorat en Nanophysique

Soutenue le 20-10-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Marek Potemski.

Le jury était composé de Zheng Han, Shimpei Ono.

Les rapporteurs étaient Daichi Chiba, Annick Loiseau.


  • Résumé

    Les liquides ioniques sont des fluides non volatiles, constitués de cations et d’anions, qui sont conducteurs ioniques, isolants électriques, et peuvent avoir des valeurs de capacité très élevées. Ces liquides sont susceptibles non seulement de remplacer les électrolytes solides, mais également de susciter des champs électriques intenses (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) au sein d’une couche dite double couche électronique (electric double layer, EDL) à l’interface entre le liquide et le matériau sur lequel il est déposé. Ceci conduit à une injection de porteurs de charge bidimensionelle avec des densités allant jusqu’à SI{e15}{cm^{-2}}. Cet effet de grille remarquablement fort des liquides ioniques est réduit en présence d’états piégés ou de rugosité de surface. À cet égard, les dicalchogénures de métaux de transitions, de très haute qualité cristalline et atomiquement plats, font partis des semi-conducteurs les plus adaptés aux grilles EDL.Nous avons réalisé des transistors à effet de champ avec des EDL dans des nanotubes multi-couches de ce{WS2}, avec des performances comparables à celles de transistors EDL sur des ilots de ce{WS2}, et meilleurs que celles de nanotubes de ce{WS2} avec une grille solide. Nous avons obtenu des mobilités allant jusqu’à SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} pour les porteurs n et p, et des ratios de courants on/off dépassant SI{e5}{} pour les deux polarités. Pour de forts dopages de type électron, les nanotubes ont un comportement métallique jusqu’à basse température. De plus, utiliser un liquide ionique permet de créer une jonction pn de manière purement électrostatique. En prenant avantage de cet effet, nous avons pu réaliser un transistor photoluminescent dans un nanotube.La possibilité de susciter de très forte densités de charges donne la possibilité d’induire des phases métalliques ou supraconductrices dans des semi-conducteurs a large bande interdite. Nous avons ainsi réussi à induire par effet de champ une phase métallique à basse température dans du diamant intrinsèque avec une surface hydrogénée, et nous avons obtenu un effet de champ dans du silicone dopé métallique.Les liquides ioniques offrent beaucoup d’avantages, mais leur champ d’application est encore réduit par l’instabilité du liquide, ainsi que par les courants de fuites et l’absorption graduelle d’impuretés. Un moyen efficace de s’affranchir de ces inconvénients, tout en conservant la possibilité d’induire de très fortes densités de porteurs, est de gélifier le liquide ionique. Nous sommes allés plus loin en fabriquant des gels ioniques modifiés, avec les cations fixés sur une seule surface et les anions libres de se mouvoir au sein du gel. Cet outil nous a permis de réaliser une nouvelle diode à effet de champ de faible puissance.

  • Titre traduit

    Iontronics - Field effect study of different devices, using techniques of ionic liquid gating


  • Résumé

    Ionic liquids are non-volatile fluids, consisting of cations and anions, which are ionically conducting and electrically insulating and hold very high capacitances. These liquids have the ability to not only to replace solid electrolytes, but to create strongly increased electric fields (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) in the so-called electric double layer (EDL) on the electrolyte/channel interface, which leads to the injection of 2D charge carrier densities up to SI{e15}{cm^{-2}}. The remarkably strong gate effect of ionic liquids is diminished in the presence of trapped states and roughness-induced surface disorder, which points out that atomically flat transition metal dichalcogenides of high crystal quality are some of the semiconductors best suited for EDL-gating.We realised EDL-gated field-effect transistors based on multi-walled ce{WS2} nanotubes with operation performance comparable to that of EDL-gated thin flakes of the same material and superior to the performance of backgated ce{WS2} nanotubes. For instance, we observed mobilities of up to SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} for both p- and n-type charge carriers and our current on-off ratios exceed SI{e5}{} for both polarities. At high electron doping levels, the nanotubes show metallic behaviour down to low temperatures. The use of an electrolyte as topgate dielectric allows the purely electrostatic formation of a pn-junction. We successfully fabricated a light-emitting transistor taking advantage of this utility.The ability of high charge carrier doping suggests an electrostatically induced metal phase or superconductivity in large gap semiconductors. We successfully induced low temperature metallic conduction into intrinsic diamond with hydrogen-terminated surface via field-effect and we observed a gate effect in doped, metallic silicon.Ionic liquids have many advantageous properties, but their applicability suffers from the instability of their liquid body, gate leakage currents and absorption of impurities. An effective way to bypass most of these problems, while keeping the ability of ultra-high charge carrier injection, is the gelation of ionic liquids. We even went one step further and fabricated modified ion gel films with the cations fixed on one surface and the anions able to move freely through the film. With this tool, we realised a novel low-power field-effect diode.


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