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Structure électronique et transport dans l'hétérostructure graphène/MoS2 pour la conception de transistors à effet de champ
Daniela Di Felice
Mardi 25/09/2018, 14h00-17h00
Bât 774, Amphi Claude Bloch, Orme des Merisiers

Manuscrit de la thèse.


Structure électronique et transport dans l'hétérostructure graphène/MoS2 pour la conception de transistors à effet de champ

L'isolement du graphène, une monocouche de graphite composée d'un plan d’atomes de carbone, a démontré qu'il est possible de séparer un seul plan d'épaisseur atomique, que l'on appelle materiau bidimensionelle (2D), à partir des solides de Van de Waals (vdW). Grâce à leur stabilité, différents matériaux 2D peuvent être impilés pour former les hétérostructures de vdW. L'interaction vdW à l'interface étant suffisamment faible, les propriétés spécifiques de chaque matériau demeurent globalement inchangées dans l’empilement. En utilisant une démarche théorique et computationnelle basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et le formalisme de Keldysh-Green, nous avons étudié l'hétérostructure graphène/MoS2 . Le principal intérêt des propriétés spécifiques du graphène et du MoS2 pour la conception d'un transistor à effet de champ réside dans la mobilité du graphène, à la base d'un transistor haute performance et dans le gap électronique du MoS2 , à la base de la commutation du dispositif. Tout d'abord, nous avons étudié les effets de la rotation entre les deux couches sur les propriétés électroniques à l'interface, en démontrant que les propriétés électroniques globales ne sont pas affectées par l'orientation. En revanche, les images STM (microscope à effet tunnel) sont différentes pour chaque orientation, en raison d'un changement de densité de charge locale. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé l’interface graphène/MoS2 en tant que modèle très simple de Transistor à Effet de Champ.

Nous avons analysé le rôle des hétérostructures de vdW sur la performance du transistor, en ajoutant des couches alternées de graphène et MoS2 sur l'interface graphène/MoS2 . Il a ainsi été démontré que la forme de la DOS au bord du gap est le paramètre le plus important pour la vitesse de commutation du transistor, alors que si l’on ajoute des couches, il n’y aura pas d’amélioration du comportement du transistor, en raison de l'indépendance des interfaces dans les hétérostructures de vdW. Cependant, cela démontre que, dans le cadre de la DFT, on peut étudier les propriétés de transport des hétérostructures de vdW plus complexes en séparant chaque interface et en réduisant le temps de calcul. Les matériaux 2D sont également étudiés ici en tant que pointe pour STM et AFM (microscope à force atomique) : une pointe de graphène testée sur MoS2 avec défauts a été comparée aux résultats correspondants pour une pointe en cuivre. La résolution atomique a été obtenue et grâce à l'interaction de vdW entre la pointe et l’échantillon, il est possible d’éviter les effets de contact responsables du transfert d'atomes entre la pointe et l'échantillon. En outre, l'analyse des défauts est très utile du fait de la présence de nouveaux pics dans le gap du MoS2 : ils peuvent ainsi être utilisés pour récupérer un pic de courant et donner des perspectives pour améliorer la performance des transistors.

Mots-clés : Matériaux 2D, Structure électronique, Hétérostructure de Van der Waals, Transport électronique.


 

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

The isolation of graphene, a single stable layer of graphite, composed by a plane of carbon atoms, demonstrated the possibility to separate a single layer of atomic thickness, called bidimensional (2D) material, from the van der Waals (vdW) solids. Thanks to their stability, 2D materials can be used to form vdW heterostructures, a vertical stack of different 2D crystals maintained together by the vdW forces. In principle, due to the weakness of the vdW interaction, each layer keeps its own global electronic properties. Using a theoretical and computational approach based on the Density Functional Theory (DFT) and Keldish-Green formalism, we have studied graphene/MoS2 heterostructure. In this work, we are interested in the specific electronic properties of graphene and MoS2 for the conception of field effect transistor: the high mobility of graphene as a basis for high performance transistor and the gap of MoS2 able to switch the device. First, the graphene/MoS2 interface is electronically characterized by analyzing the effects of different orientations between the layers on the electronic properties. We demonstrated that the global electronic properties as bandstructure and Density of State (DOS) are not affected by the orientation, whereas, by mean of Scanning Tunneling Microscope (STM) images, we found that different orientations leads to different local DOS. In the second part, graphene/MoS2 is used as a very simple and efficient model for Field Effect Transistor.

The role of the vdW heterostructure in the transistor operation is analyzed by stacking additional and alternate graphene and MoS2 layers in the simple graphene/MoS2 interface. We demonstrated that the shape of the DOS at the gap band edge is the fundamental parameter in the switch velocity of the transistor, whereas the additional layers do not improve the transistor behavior, because of the independence of the interfaces in the vdW heterostructures. However, this demonstrates the possibility to study, in the framework of DFT, the transport properties of more complex vdW heterostructures, separating the single interfaces and reducing drastically the calculation time. The 2D materials are also studied in the role of a tip for STM and Atomic Force Microscopy (AFM). A graphene-like tip, tested on defected MoS2, is compared with a standard copper tip, and it is found to provide atomic resolution in STM images. In addition, due to vdW interaction with the sample, this tip avoids the contact effect responsible for the transfer of atoms between the tip and the sample. Furthermore, the analysis of defects can be very useful since they induce new peaks in the gap of MoS2 : hence, they can be used to get a peak of current representing an interesting perspective to improve the transistor operation.

Keywords: DFT, 2D materials, Electronic structure, Van der Waals heterostructure, Transistor, Electronic transport.

Contact : Yannick DAPPE

 

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