Études théoriques de nouvelles nanostructures à base de graphène – Theoretical studies of novel graphene based nanostructures

Résumé :

Depuis sa découverte, le graphène est devenu un centre de recherche et d’intérêt important en raison de ses caractéristiques mécaniques, thermiques et électriques exceptionnelles. Néanmoins, l’absence de bande interdite dans le graphène constitue un obstacle aux applications dans les domaines de l’optique, de la nanoélectronique et de la spintronique. L’ingénierie de la bande interdite impliquant la nanostructuration du graphène a été développée au fil des ans, par exemple par confinement quantique, pour surmonter cette limitation.

Ce travail théorique est consacré à la modification des réponses électroniques, optiques et de microscopie/spectroscopie à effet tunnel (STM/STS) en fonction de la taille du système de nouveaux matériaux de carbone tels que les nanomeshs de graphène (GNM), les boîte quantiques de graphène de forme/taille contrôlée (GQD) et les nanorubans de graphène (GNR), afin de comparer et d’analyser les données expérimentales.

Ces nouveaux matériaux carbonés sont théoriquement déposés sur des surfaces d’or Au(111) dans une simulation STM réalisée à l’aide du formalisme des fonctions de Green hors équilibre (NEGF) basé sur la méthode DFT Fireball afin d’étayer les données expérimentales.

En ce qui concerne les GQD, nous simulons leur spectre d’absorption en utilisant la correction GW et les équations de Bethe-Salpeter (BSE), si possible, pour les comparer directement aux données expérimentales. Dans le cas contraire, leurs propriétés optiques sont obtenues par une approche inférieure, l’approche Tight-Binding (TB). Les impacts des agrégations et des impuretés sur leurs réponses optiques sont également explorés en étudiant la bicouche torsadée des GQDs via la méthode TB.

En outre, les changements dans les propriétés électroniques de ces nouveaux matériaux de carbone en fonction de la taille de leur système sont extraits à l’aide de la méthode TB. La performance de la méthode TB est vérifiée par des simulations DFT et GW.

Enfin, d’autres matériaux de faible dimension, les nouvelles structures bicouches de nitrure de bore hexagonal torsadées à près de 30° (hBN-TBLs), sont également étudiées dans cette thèse. Les méthodes DFT et TB réalisent les structures électroniques et optiques de nouveaux hBN-TBLs plus loins de 30° afin d’obtenir les paramètres d’ajustement pour le modèle TB. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour prédire des hBN-TBL plus proches de 30°, ce qui est difficilement réalisable par DFT.

Mots-clés : Matériaux de faible dimension, Graphène, HBN, Simulations STM, Simulations optiques

Abstract:

Since its discovery, graphene has become a focal point of extensive research and interest because of its exceptional mechanical, thermal, and electrical characteristics. Nevertheless, the absence of a bandgap in graphene constitutes a barrier to applications in optics, nanoelectronics, and spintronics. Bandgap engineering involving the nanostructuration of graphene has been developed over the years, such as by quantum confinement, to overcome this limitation.

This theoretical work is dedicated to the change of electronic, optical, and scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) responses as a function of system size of new carbon materials like graphene nanomeshes (GNMs), shape/size controlled graphene quantum dots (GQDs) and graphene nanoribbons (GNRs), in order to compare and analyze experimental data.

These new carbon materials are theoretically deposited on gold Au(111) surfaces in STM simulation performed using the Non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism based on the Fireball DFT method to support the experimental data.

Concerning GQDs, we simulate their absorption spectrum using the GW approximation and the Bethe–Salpeter equations (BSE), if possible, to compare directly with the experiment data. Otherwise, their optical properties are achieved by a lower approach, the Tight-Binding (TB) approach. Also, the impacts of aggregations and impurities on their optical responses are explored by studying the twisted bilayer of the GQDs via the TB method.

Moreover, the changes in these new carbon materials’ electronic properties as a function of their system size are extracted using the TB method. The performance of the TB method is verified by DFT and GW simulations.

Finally, other low-dimensional materials, new close-to 30° twisted hexagonal boron nitride bilayer structures (hBN-TBLs), are also studied in this thesis. DFT and TB methods perform the electronic and optical structures of further 30° hBN-TBLs to obtain the fit parameters for the TB model. These parameters are then used to predict closer to 30° hBN-TBLs, which are hardly to be obtained by DFT.

Keywords: Low-Dimensional materials, Graphene, HBN, STM simulations, Optical simulations