Études des ondes de densité de charge dans les dichalcogénures de métaux de transition

Study of charge density waves in transition metal dichalcogenides

• Auteur / Autrice : Mahé Lezoualc'h
• Direction : Yannick Dappe, Alexander Smogunov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/03/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Brouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tristan Cren, Guy Trambly de Laissardière, Davide Romanin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tristan Cren, Guy Trambly de Laissardière
• DOI : 10.70675/10df4657z1bd7z4c21zb048zc72ca3557f9a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux 2D

Théorie de la fonctionnelle de densité

Mots clés libres

Matériaux 2D

Ondes de densité de charge

Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)

2D Materials

Charge density waves

Density Functional Theory (DFT)

Résumé

Dans cette thèse, nous avons exploré les propriétés et le comportement des ondes de densité de charge (ODC) dans les dichalcogénures de métaux de transition. En particulier, nous nous sommes intéressés aux différents paramètres qui pourraient influencer, modifier ou nous permettre de contrôler ces phases d'ODC. Ainsi, nous avons examiné l'adsorption atomique, l'intercalation (dopage) et les changements de phases. Grâce à une approche combinant modélisation théorique et collaboration avec des équipes expérimentales, des progrès majeurs ont été accomplis dans la compréhension de la modulabilité et du contrôle des phases d'ODC. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur les composés 1T-VSe2 et 1T-VTe2, mais ces premiers résultats ouvrent des perspectives générales dans ce domaine.Une partie importante de ce travail a été consacrée au développement d'une méthodologie solide pour modéliser la configuration atomique des phases d'ODC. Cette méthodologie, fondée sur la DFPT, a permis une étude détaillée sur les propriétés énergétiques, dynamiques et structurelles des phases d'ODC. Les résultats clés de notre recherche sur le dopage à l'azote (N) dans 1T-VSe2 incluent une caractérisation détaillée des défauts observés expérimentalement. De plus, les résultats expérimentaux montrent la robustesse de la phase (4x4) d'ODC dans 1T-VSe2, car la présence de défauts ne perturbe pas la stabilité de cette phase.L'étude de l'intercalation du sodium dans 1T-VSe2 a démontré la modulabilité des phases d'ODC. Eneffet, la phase (4 × 4) d'ODC observée à la surface du 1T-VSe2 massif passe à une phase (√7 × √3) d'ODC, similaire à celle observée dans la monocouche 1T-VSe2. Nos calculs dans le cadre de la DFT ont révélé un transfert de charge significatif des atomes de sodium vers la couche supérieure de VSe2, entraînant un décalage des orbitales dz2 du vanadium vers les basses énergies.Les images STM expérimentales ont montré que la monocouche de 1T-VTe2 présente plusieurs phases d'ODC, telles que les configurations (4 × 4) et (4 × 1) avec différentes orientations. L'étude expérimentale a également démontré la possibilité de transitions réversibles entre ces phases d'ODC, induites par des impulsions de la pointe STM. Une étude théorique et numérique reposant sur des calculs NEB a révélé que les transitions rotationnelles entre les orientations (4 × 1) nécessitent moins d'énergie que les transitions entre les phases (4 × 1) et (4 × 4).Enfin, nous avons étudié les propriétés de transport électronique dans 1T-VSe2 et 1T-VTe2. Ces résultats mettent en évidence une réduction de la conductance à travers les différentes phases d'ODC par rapport à l'état non déformé, principalement en raison de modifications des distances interatomiques aux interfaces des électrodes. Cependant, aucune variation significative des propriétés de transport n'a été observée entre les différentes phases d'ODC, ce qui suggère des défis dans l'utilisation des orientations d'ODC pour un transport électronique modulable. Cette recherche pose les bases d'un domaine émergent, ''l'ODC-tronique'', qui vise à exploiter les propriétés uniques des ODC dans les dispositifs nanoélectroniques.Ce travail établit un lien entre les études fondamentales sur les ODC et leurs potentielles applicationstechnologiques. En développant une méthodologie pour modéliser les configurations atomiques et en approfondissant notre compréhension des propriétés des ODC, cette thèse ouvre la voie à des recherches futures visant à manipuler les ODC par l'ingénierie des défauts, l'adsorption d'atomes ou de molécules, et l'exploration de leurs effets sur le transport électronique.

In this thesis, we have explored the properties and behavior of Charge Density Waves (CDWs) inTransition Metal Dichalcogenides (TMDs). In particular, we have been interested in different parameters that might influence, modify or allow us to control the CDW phases. Hence, we have considered atomic adsorption and intercalation (doping) and phases switching. Through a combination of theoretical modeling and collaboration with experimental groups, significant insights into the tunability and manipulation of CDW phases have been achieved. In this work, we have been focusing on the 1T-VSe2 and 1T-VTe2 compounds but these first results open general trends in the field.An important part of this work has been dedicated to the development of a robust methodology to model the atomic configuration of CDW phases. This methodology, grounded in Density Functional Perturbation Theory (DFPT), has enabled detailed investigations into the energetics, dynamics, and structural properties of CDW phases. As such, it contributes to advancing the theoretical tools available for the study of system exhibiting CDWs.The key findings of our research on nitrogen (N) doping in 1T-VSe2 include a detailed characterization of experimentally observed defects. Furthermore, experimental results demonstrate the robustness of the (4x4) CDW phases in 1T-VSe2, as the presence of defects does not disrupt the stability of these phases.The investigation of sodium intercalation in 1T-VSe2 has demonstrated the tunability of the CDW phases. Indeed, the (4 × 4) CDW observed on the surface of bulk 1T-VSe2 transitions into a (√7 × √3) CDW, similar to that observed in monolayer 1T-VSe2. Our Density Functional Theory (DFT) calculations have revealed significant charge transfer from sodium atoms to the top VSe2 leading to a downward energy shift of the vanadium dz2 orbitals.Experimental Scanning Tunneling Miscroscopy (STM) topography images have demonstrated that 1T-VTe2 monolayer exhibits multiple CDW phases, such as the (4 × 4) and (4 × 1) configurations with different orientations. The experimental study has demonstrated the possibility of reversible CDW phase transitions induced by external stimuli like STM tip pulses. Computational investigation using Nudged Elastic Band (NEB) calculations revealed that the rotational transitions between (4 × 1) orientations require less energy compared to transitions between (4 × 1) and (4 × 4) phases.Finally, we have investigated the electronic transport properties of 1T-VSe2 and 1T-VTe2. These results highlight a reduction in conductance across different CDW phases compared to the pristine state, primarily due to modified interatomic distances at electrode interfaces. However, no significant variation in transport properties was observed between distinct CDW phases, suggesting challenges in leveraging CDW orientation for tunable electronic transport. The transport properties are found relatively similar for both compounds. This research lays a foundation for the emerging field of ''CDW-tronics'', which seeks to utilize the unique properties of CDWs in nanoelectronic devices.This work bridges fundamental studies of CDWs with their potential technological applications. Bydeveloping a methodology to model atomic configurations and advancing our understanding of CDWproperties, this thesis sets the stage for future research in manipulating CDWs through defect engineering, adsorption of atoms or molecules, and exploring their effects on electronic transport. Such efforts will further unlock the potential of CDWs in practical applications, driving advancements in materials science and nanoelectronics. For instance, we can consider future transistors that operate by modulating CDW phases through an electronic gate or next generation gas sensor that utilize the interactions of CDW phases with specific molecules.