Étude expérimentale et numérique des impacts de l'irradiation ionique sur les couches de dichalcogénures de métaux de transition

Experimental and numerical study of ion irradiation impacts on Transition Metal Dichalcogenide layers

• Auteur / Autrice : Pedro Lourenço
• Direction : Geoffroy Prévot, Romain Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/04/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Émilie Gaudry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grégory Abadias, Aurélien Debelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bombardement ionique

Pulvérisation cathodique

Chalcogénures

Métaux de transition

Science des matériaux

Semiconducteurs

Mots clés libres

Semiconducteur

Dichalcogénure de métal de transition

Dépôt par pulvérisation

Simulations de dynamique moléculaire

Irradiation ionique

Microscopie à effet tunnel

Matériel 2D

Scanning tunneling microscopy

Molecular dynamics

Transition metal dichalcogneides

Résumé

Dans cette thèse, je présente l’étude de défauts générés artificiellement par irradiation ionique à la surface de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), plus particulièrement de cristaux de disulfure de tungstène (WS2) et de diséléniure de tungstène (WSe2). Je présente également l’analyse structurelle des films WS2 obtenus par pulvérisation magnétron réactive (RMS) et je compare les défauts structurels observés aux défauts générés artificiellement sur les cristaux en volume. Cette thèse est composée de six chapitres. Dans le premier chapitre, une introduction à la structure et aux propriétés des dichalcogénures de métaux de transition est présentée, suivie d’une discussion des études précédentes sur la génération de défauts par irradiation ionique. Les développements récents dans les méthodes de fabrication de couches minces de TMDC, comme la pulvérisation magnétron réactive, sont également abordés. Dans le chapitre 2, je décris en détail les techniques expérimentales et les méthodes d’analyse utilisées pour caractériser les matériaux TMDC et dans le chapitre 3, je décris les méthodes utilisées pour la simulation numérique de l’irradiation ionique des TMDC. Dans le chapitre 4, je présente mon travail sur la conception des expériences et la calibration d’une source d’ions qui a ensuite été utilisée pour produire des ions de faible énergie afin de générer artificiellement des défauts sur les surfaces des TMDCs. Dans le chapitre 5, je présente mes résultats de caractérisation des films WS2 synthétisés par RMS, qui ont été obtenus à Uppsala par l’équipe de Tomas Nyberg. Dans le chapitre 6, je présente la génération artificielle de défauts sur les surfaces de TMDCs en utilisant la source d’ions décrite dans le chapitre 4. En outre, je présente les études de dynamique moléculaire que j’ai réalisées pour comprendre le mécanisme de production de défauts dans les TMDC par irradiation ionique. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDCs) sont une grande famille de matériaux lamellaires couvrant une large gamme de propriétés électroniques, chimiques et physiques. Ils peuvent être métalliques, semi-conducteurs ou semi-métalliques. Ces matériaux sont composés de feuilles constitués d’une tricouche de formule MX2 (où M un métal de transition, X un atome de chalcogène, c’est-à-dire S, Se ou Te) et ont un réseau atomique hexagonal [...]

In this thesis, I present the study of artificially generated defects by ion irradiation on the surface of Transition Metal Dichalcogenides (TMDC), more specifically of tungsten disulphide (WS2) and tungsten diselenide (WSe2) crystals. I also present the structural analysis of WS2 films grown by Reactive Magnetron Sputtering (RMS) and compare the observed structural defects to the artifically generated defects on the bulk crystals This thesis is composed of six chapters. In the first chapter, an introduction to the transition metal dichalcogenide structure and properties is discussed, followed by a discussion of previous studies about the defect generation by ion irradiation. Recent developments in the fabrication methods of TMDC thin-films such as reactive magnetron sputtering are also discussed. In chapter 2 I describe in detail the experimental techniques and the analysis methods used to characterize the TMDC materials and in chapter 3 I describe the methods used for numerical simulation of ion irradiation of TMDCs. In chapter 4, I present my work on the design of the experiments and the calibration of a ion source which was later used to produce low energy ions to artificially generate defects on TMDCs surfaces. Chapter 5 I present my characterization results of WS2 films grown by RMS, which were grown in Uppsala by the team of Tomas Nyberg. In chapter 6 I present the artificial generation of defects on TMDC surfaces using the ion source described in chapter 4. Furthermore, I present the molecular dynamics studies which were performed to have an understanding of the defect production mechanism in TMDCs by ion irradiation.