Semi-conducteurs 2D pour l’électronique flexible : évaluation du potentiel du MoS2 monocouche en tant que matériau de canal

par Hugo Casademont

Thèse de doctorat en Electronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies

Sous la direction de Vincent Derycke.

Soutenue le 03-11-2016

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Henri Happy.

Le jury était composé de Vincent Derycke, Henri Happy, Johann Coraux, Dominique Vuillaume, Yvan Bonnassieux, Arnaud Bournel, Bruno Jousselme.

Les rapporteurs étaient Johann Coraux, Dominique Vuillaume.

mots clés

• MoS2
• Disulfure de molybdène
• Semi-Conducteur 2D
• Transistors
• Électronique flexible
• Diélectrique organique
• Bisulfure de molybdène
• Semiconducteurs
• Transistors
• Diélectriques

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’évaluation du potentiel d'un semi-conducteur 2D, le disulfure de molybdène (MoS2) monocouche, en tant que matériau de canal de type N pour l’électronique flexible. Ce semi-conducteur d'épaisseur nanométrique est stable chimiquement, robuste mécaniquement et possède une bande interdite directe de 1,9 eV. Le travail réalisé couvre en premier lieu la synthèse de monocouches de MoS2 par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et leur caractérisation. Les monocouches synthétisées ont été intégrées avec succès en tant que matériau de canal dans des transistors de type N stables à l'air. L'étude a mis en évidence l'impact sur les performances de l'environnement et des résistances aux interfaces métal/MoS2. Des mobilités électroniques de 20 cm²/(V.s) associées à des rapports ION/IOFF > 106 ont été obtenus. Ces performances ont permis l’intégration du MoS2 monocouche dans des transistors flexibles. Ce travail a été combiné à d’importants efforts sur l’intégration de films minces organiques électrogreffés en tant que diélectrique de grille, y compris sur substrat flexible. Dans un domaine encore jeune mais en rapide évolution, ces travaux montrent la viabilité de l’option MoS2 monocouche pour l’électronique flexible, notamment en combinaison avec les diélectriques minces organiques.

mots clés

• MoS2
• Molybdenum disulfide
• 2D semiconductor
• Transistors
• Flexible electronics
• Organic dielectric

Titre traduit

2D semiconductors for flexible electronics : assessment of the potential of MoS2 monolayers as channel material

Résumé

This PhD thesis is dedicated to the assessment of the potential of monolayers of molybdenum disulfide (MoS2) as a N-type channel material for flexible electronics. This 2D semiconductor of atomic-scale thickness is chemically stable, mechanically robust and has a direct bandgap of 1.9 eV. This work includes the synthesis of MoS2 monolayers by Chemical Vapor Deposition (CVD) and the characterization of this material. The MoS2 monolayers were integrated in air-stable N-type transistors. The study highlighted the impact on the device performances of both the environment and the resistances at the MoS2/metal interfaces. Electronic mobilities of 20 cm²/(V.s) in combination with ION/IOFF ratios > 106 were achieved. These performances allowed integrating MoS2 monolayers in flexible transistors. This work was combined with the study of electrografted organic ultrathin films used as gate dielectrics and their integration in MoS2 transistors. This thesis shows that MoS2 monolayers are a viable option for flexible electronics operating at low bias, in particular when they are associated with ultrathin organic dielectrics.