Structure électronique et transport dans l'hétérostructure graphène/MoS2 pour la conception d'un transistor à effet de champ.

par Daniela Di Felice

Projet de thèse en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Yannick Dappe.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Service de Physique de l'Etat Condensé (laboratoire) , GMT - Groupe Modélisation et Théorie (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Le graphène est l'un des matériaux les plus prometteurs actuellement pour l'électronique du futur. Du fait de sa structure de bandes particulière, la mobilité des porteurs de charge y est considérable, outre sa conductivité thermique et sa grande résistance mécanique. Ces propriétés ouvrent donc la voie à l'élaboration de composants électroniques à base de graphène tels que les transistors à effet de champ (FET). Ainsi, il constitue un système d'étude de premier choix tant au niveau de la recherche fondamentale que de la recherche appliquée. Malheureusement, l'effet tunnel de Klein dans le graphène rend pratiquement impossible la manipulation des charges par voie electrostatique. En conséquence, la conception de FET à base de graphène passe par l'élaboration d'hétérostructures dans lesquelles le graphène est associé à d'autres matériaux afin de créer une barrière de Schottky à l'interface. Cette barrière permet alors d'augmenter considérablement les ratios de courants selon les tensions appliquées. En ce sens, d'autres matériaux bidimensionnels comme le disulfure de Molybdène (MoS2) représentent des candidats intéressants pour la création de ces nouvelles hétérostructures. Le gap électronique relativement faible permet de créer une barrière Schottky à l'interface graphène/MoS2 sans toutefois altérer la mobilité des charges. On peut ainsi envisager différents types d'interfaces entre ces deux matériaux pour en étudier les propriétés électroniques et les conséquences sur le transport électronique dans l'hétérostructure. Ces propriétés électroniques sont extrêmement sensibles à l'arrangement atomique à l'interface entre la couche de graphène et la couche de MoS2. En conséquence, seule une méthode de premier principe, telle que la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) nous permet d'accéder à ce degré de précision. Cependant, l'équilibre de l'hétérostructure est dominé par les interactions de type van der Waals, telles que celles que l'on retrouve dans les assemblages de chimie supramoléculaires, les matériaux graphitiques purs (graphène, nanotubes de Carbone, ...) ou les membranes biologiques par exemple. La modélisation de ces interactions présente donc un caractère fondamental pour la détermination des propriétés électroniques à l'interface. Une des difficultés majeures des approches type DFT demeure le fait que les interactions de type faible ou de van der Waals, donc non-locales, sont très mal décrites dans ce formalisme. En ce sens, le travail que nous avons développé ces dernières années dans le groupe vise à implémenter des modèles dans le cadre de la DFT pour décrire correctement ces interactions. Le sujet de thèse que je propose ici s'inscrit dans la droite ligne de ces développements. A partir des derniers développements numériques pour décrire les interactions de van der Waals dans le cadre de la DFT, il s'agira d'étudier l'interaction entre un plan de graphène et une monocouche de MoS2 selon différents arrangements, afin d'en déterminer avec précision l'influence sur les propriétés électroniques. De la même façon que l'interaction mutuelle entre deux plans de graphène, de multiples configurations sont possibles, parmi lesquelles il s'agira d'extraire la plus stable et la plus intéressante électroniquement. Pour caractériser les propriétés de ces hétérostructures, on effectuera des calculs de densités (DOS) et transferts de charges électroniques à l'interface et on déterminera le courant perpendiculaire à l'interface à l'aide d'un formalisme de Keldysh-Green implémenté dans la DFT. En outre le système d'étude pourra être raffiné ou modulé par la prise en compte de multi- couches graphène/MoS2 (étude de composants type sandwich) ou l'intercalation d'atomes ou de molécules pour moduler les propriétés électroniques du graphène. Enfin, une partie de ce travail sera également consacrée à de nouveaux développements pour affiner les modèles décrivant les interactions faibles et de van der Waals. Ce sujet de thèse porte donc sur les domaines de la Mécanique Quantique, de la Physique du Solide et du transport électronique, et aborde les domaines de pointe que sont la description des interactions de van der Waals au niveau microscopique, le transport électronique aux interfaces et l'électronique du graphène. Ces domaines de recherche sont innovants et riches en applications, et le développement comme l'utilisation d'outils numériques de pointe assurera au candidat une formation de qualité pour la poursuite de sa carrière. Enfin, le groupe d'accueil où s'effectuera la thèse bénéficie de compétences théoriques reconnues dans ces domaines, et travaille en étroite collaboration avec les expérimentateurs du laboratoire, ce qui constitue un cadre idéal pour le développement de tels travaux. Il est également impliqué dans de nombreuses collaborations internationales sur ce type de sujets.

  • Titre traduit

    Electronic structure and transport in the graphene/MoS2 heterostructure for the conception of a field effect transistor.


  • Résumé

    Graphene is one of the most promising materials for future electronics. Due to its specific bandstructure, its charge carrier mobility is very important, in addition to its thermal conductivity and its high mechanical resistance. Therefore, these properties open the way to the elaboration of graphene based electronic devices like field-effect transistors (FET). The design of graphene-based FET goes through the elaboration of heterostructures where graphene is associated to other materials in order to create interface Schottky barrier. For example, MoS2 represents an interesting candidate for the creation of such new heterostructure. However, this heterostructure equilibrium is ruled by van der Waals interactions, as there exist in supramolecular chemistry, graphitic materials (graphene, carbon nanotubes, ...) or biological membranes for example. The modeling of such interactions is of high fundamental interest to determine the interface electronic properties. From the last numerical developments to describe van der Waals interactions in the frame of Density Functional Theory (DFT), this PhD aims at studying different possible configurations of graphene/MoS2 heterostructures. To characterize these properties, we will proceed to electronic density (DOS) and charge transfer calculations as well as current determination perpendicular to the interface from a Keldysh-Green formalism implemented in DFT. Moreover, this system could be refined or modulated by considering graphene/MoS2 multilayers (sandwich-like systems) or atom or molecules intercalation to modulate the graphene electronic properties. This PhD lies in the fields of Quantum Mechanics, Solid State and electronic transport, and deals with hot topics like the description of van der Waals interaction at the microscopic level, electronic transport calculation at the interfaces and graphene electronics. These topics are very promising, and the development and use of competitive numerical tools will ensure a strong background for future career to the candidate. Finally, the group where we propose the PhD has a well established knowledge in such theoretical methods, and works in strong collaboration with experimentalists from the laboratory, which creates an ideal frame for the development of this work. The group is also involved in many international collaborations.