Synthèse en couches minces de sulfures lamellaires (2D) par des procédés à basse température

par Bhobnibhit Chatmaneerungcharoen

Projet de thèse en Physique des materiaux

Sous la direction de Hubert Renevier et de Stéphane Cadot.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI - CEA) (laboratoire) depuis le 14-01-2019 .


  • Résumé

    Les matériaux 2D de type dichalcogénures de métaux de transition lamellaires ont suscité un vif intérêt ces dernières années, apportant un nouveau panel de fonctionnalités potentielles pour le « More than Moore » (capteurs chimiques, photodétecteurs, nano-batteries,…). Parmi ces dichalcogénures, les disulfures de métaux de transition semiconducteurs tels que MoS2 et WS2 sont les plus étudiés de par leur stabilité chimique, mais nécessitent des procédés de préparation à très haute température (> 800°C) qui limitent leurs possibilités d'intégration. Dans ce contexte, le disulfure d'étain (SnS2) suscite un intérêt particulier puisqu'il présente de nombreuses analogies avec MoS2 et WS2, mais peut-être obtenu sous forme cristalline à des températures beaucoup moins élevées (< 350°C) et donc potentiellement compatibles avec une intégration « above IC ». De plus, l'étain est un métal abondant et relativement peu toxique dont la quasi-totalité des oxydes ou sulfures (SnS, Sn2S3, SnS2, SnO et SnO2) se trouvent être des semi-conducteurs, ce qui permet d'envisager une grande richesse en terme d'applications potentielles. L'objectif de cette thèse sera donc de développer des procédés de synthèse de SnS2 ou d'autres semiconducteurs 2D pouvant être obtenu à basse température, soit par sulfuration d'oxydes, soit par des méthodes de dépôt type ALD (dépôt par couche atomique) afin de permettre l'intégration de ces matériaux dans des dispositifs innovants et idéalement compatibles avec les technologies déjà existantes sur wafers 200 ou 300 mm. Cette étude intégrera également la caractérisation des matériaux obtenus par différentes méthodes (XPS, fluorescence X, Raman, XRD, TEM, KPEEM,…), ainsi que la réalisation de dispositifs qui permettront de mettre ces paramètres physicochimiques en lien avec les propriétés électriques du matériau.

  • Titre traduit

    Development of low-temperature processes for the synthesis of lamellar (2D) sulfides


  • Résumé

    Among the most promising materials for “More than Moore” technologies (chemical sensors, photodetectors, nano-batteries,…), 2D transition metal dichalcogenides have recently been identified as high-potential candidates. In particular, semiconducting transition metal disulfides such as MoS2 and WS2 have been thoroughly studied because of their chemical robustness, but their synthesis actually requires ultrahigh-temperature processes (> 800°C) which severely hinder their integration capabilities. In this context, tin disulfide (SnS2) appears as a good alternative to MoS2 or WS2 since it can be obtained with good crystallinity at much lower temperatures (< 350°C), making it potentially compatible with an ”above IC” integration. Moreover, tin is a relatively non-toxic and earth-abundant metal with almost all of its oxide and sulfide derivatives (SnS, Sn2S3, SnS2, SnO et SnO2) being semiconductors, which opens up a wide range of perspectives in term of potential applications. This PhD work will aim at developing industrially-relevant processes for the synthesis of SnS2 (or other semiconducting 2D materials that can be obtained at low temperature), either by sulfurization of the corresponding oxide or using a deposition process such as ALD (Atomic Layer Deposition), in order to create novel devices based on these materials, and ideally compatible with already-existing technologies on 200 or 300 mm wafers. This study will also cover the characterization of the obtained materials through different methods (XPS, X-ray fluorescence, Raman, XRD, TEM, KPEEM,..) as well as the assembly of basic devices allowing to establish a correlation between physicochemical properties and electrical characteristics of the target material.