Simulation quantique du transport électronique dans des dispositifs à base de matériaux bidimensionnels

par Jejune Park

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Mireille Mouis.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (laboratoire) et de COMPOSANTS CMOS AVANCES SILICIUM ET SOI (equipe de recherche) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Depuis la découverte du graphène, de nombreux autres matériaux lamellaires ont été synthétisés, comme les X-ènes (silicène…), les X-anes (stanane…) et les dichalcogénures des métaux de transition (disulfure de molybdène...). En fonction de leur composition ou empilement, ceux-ci montrent des propriétés très variées, comme la présence d'une bande interdite directe ou indirecte plus ou moins grande. En combinaison avec l'excellent contrôle électrostatique dû à l'épaisseur atomique, cela permet d'envisager leur utilisation dans les dispositifs logiques pour l'électronique flexible à faible consommation. L'extrême variété des matériaux bidimensionnels et de leurs défauts demande un immense effort exploratoire qui est encore dans sa phase initiale. Dans ce contexte, la simulation quantique du transport électronique se révèle un outil essentiel pour la compréhension de la physique à l'origine des propriétés des matériaux bidimensionnels et pour la conception de dispositifs innovants qui exploitent ces propriétés originales. Le but de la thèse est d'étudier théoriquement et numériquement ces nouveaux matériaux en explorant d'un côté leurs propriétés de transport électronique, et de l'autre leur potentiel applicatif dans les dispositifs innovants. Ce type de structure est intrinsèquement quantique et exige l'adoption d'une théorie du transport assez générale, comme celle basée sur le formalisme des fonctions de Green hors équilibre, ainsi qu'une description à l'échelle atomique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Très synthétiquement, le travail demandé au/à la doctorant(e) consistera à : • simuler le transport quantique d'électrons dans différents matériaux bidimensionnels (principalement dichalcogénures des métaux de transition et leurs empilements) parfaits et désordonnés à partir d'hamiltoniens atomistiques et au moyen du code TB_sim développé au CEA ; • développer un code numérique pour la simulation du transport électronique dans des composants exploitant ces matériaux 2D ; il s'agira d'adapter aux modèles k.p les codes développés dans l'équipe d'accueil de l'IMEP-LaHC pour d'autres composants. Ces codes utilisent le formalisme des fonctions de Green, avec un traitement auto-cohérent du potentiel électrostatique et de l'interaction électron-phonon ; • simuler des dispositifs électroniques basés sur les matériaux bidimensionnels et notamment les transistors à effet de champ et tunnel (avec jonctions latérales ou verticales) tout en tenant compte des possibles défauts (dopants, impuretés, défauts structuraux) et de leur impact sur la variabilité ; • évaluer l'efficacité de différentes architectures de transistors en fonction de leur géométrie, du substrat employé et de la configuration électrostatique.

  • Titre traduit

    Quantum Simulation of electron transport in devices based on two-dimensional materials


  • Résumé

    Since the discovery of graphene, many other layered materials have been synthetized. Among them, we mention the X-enes (silicene…), the X-anes (stanane…) and the transition metal dichalcogenides (molybdenum disulfite…). Depending on their composition and layering, these materials have very different properties, such as the presence of a direct or indirect band gap of different width. Together with the excellent electrostatic control due to their atomic thickness, this promotes 2D materials as promising candidates for developing logic devices for flexible low-power electronics. The wide variety of 2D materials and of their defects calls for a large exploratory effort, which is still in its early phase. In this context, the simulation of electron quantum transport is an essential tool to understand the physics at the origin of the 2D material properties and to design innovative devices based on these original properties. The goal of the PhD is to theoretically and numerically investigate these new materials by exploring their electron transport properties and their applicative potential for innovative devices. These systems have an intrinsically quantum behavior, thus requiring the use of a general electron transport approach, such as the non-equilibrium Green's function formalism, as well as an atomistic description based on the density functional theory. The student will be asked to: • Simulate electron quantum transport in several 2D materials (mainly transition metal dichalcogenides and multilayer structures based on them), in pristine form or with disorder, by using atomistic Hamiltonians together with the TB_Sim code developed at CEA. • Develop a simulation code addressing electron transport in devices exploiting these 2D materials. More precisely, the codes developed at IMEP-LaHC for other devices will be adapted to k.p models. These codes make use of the Green's functions formalism, with a self-consistent treatment of the electrostatic potential and of the electron-phonon coupling. • Simulate electronic devices based on 2D materials, in particular field-effect and tunnel transistors (with lateral or vertical junctions), taking into account possible defects (dopants, impurities, structural defects) and their impact on variability. • Assess the performance of different transistor architectures with respect to their geometry, to the choice of the substrate, and to the electrostatic configuration.