Electric and thermoelectric properties of supported 2D materials
Propriétés électroniques et thermoélectriques des matériaux 2D sur substrat
par Salvatore TIMPA sous la direction de Maria Luisa DELLA ROCCA
Thèse de doctorat en Physique
ED 564 Physique en Île-de-France

Soutenue le jeudi 14 octobre 2021 à Université Paris Cité

Sujets
  • Conductivité thermique
  • Thermoélectricité
  • Transistors à effet de champ

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Mots clés
Matériaux 2D
Resumé
Notre âge a connu une croissance technologique exponentielle jamais enregistrée auparavant. Dans le contexte de ce développement technologique, la disponibilité d'énergies propres et renouvelables est devenue une question stimulante en poussant les efforts de recherche. La conversion thermoélectrique (TE), nommément la capacité d'un matériau à générer de l'énergie électrique à partir d'un gradient de température ou d'un courant thermique à partir d'une tension appliquée, vise à récupérer cette énergie gaspillée et, la recherche de nouveaux matériaux thermoélectriques connaît récemment une nouvelle impulsion d'enthousiasme. Les dispositifs thermoélectriques sont fiables et ne polluent pas l'atmosphère, mais leur faible efficacité de conversion reste la limite d'un développement étendu. Les nouvelles solutions de récupération d'énergie sont actuellement très demandées, en particulier dans le domaine de la micro-électronique et de la nano-électronique. L'objectif de ce travail de doctorat est de contribuer à la recherche de solutions originales pour concevoir de nouveaux dispositifs basés sur des matériaux 2D améliorant les performances thermoélectriques, en particulier en considérant la configuration sur substrat, plus approprié pour les applications. En particulier, j'ai examiné les propriétés électriques et thermoélectriques des hétérostructures de WSe2 sur hBN, où la couche d'hBN est utilisée pour découpler le TMD du substrat (SiO2), et comme diélectrique, pour coupler efficacement le TMD à la grille locale. Le diséléniure de tungstène (WSe2) a été le matériau de choix puisque seulement quelques œuvres se sont concentrées sur ses propriétés thermoélectriques, révélant, jusqu'à présent, des résultats prometteurs. De plus, le WSe2 possède une conductivité thermique particulièrement basse (1 à 2 W/mK à la température ambiante), ce qui rend ce matériel attrayant pour les applications thermoélectriques. J'ai effectué une analyse détaillée des propriétés électriques et thermoélectriques à température ambiante de tels dispositifs en fonction du métal utilisé pour les contacts électriques. J'ai découvert des valeurs élevées de coefficient de Seebeck, jusqu'à 200 uV/K et facteur de puissance, jusqu'à 4 uW/cm K2, en fonction du métal utilisé, révélant l'importance des propriétés électroniques à l'interface électrode / matériau 2D pour réaliser des dispositifs avec des performances thermoélectriques améliorées. Ensuite, je me suis intéressé à la complexe question de mesurer correctement les paramètres physiques définissant les performances thermoélectriques dans des dispositifs réels sur substrat basés sur des matériaux à basse dimensionnalité. Le paramètre ZT, qui quantifie l'efficacité de conversion d'énergie d'un dispositif thermoélectrique donné, dépend de la conductivité thermique du matériau choisi, qui, à température ambiante, est dominée par les phonons. Dans une configuration sur substrat, les pertes thermiques au substrat dominent fortement le transport thermique et, la diffusion des phonons aux interfaces peut modifier fortement la conductivité thermique du matériel. Lors de mon travail de doctorat, j'ai proposé l'utilisation de la méthode de chauffage automatique de Joule, déjà utilisée pour évaluer la conductivité thermique des nano fils métalliques sur substrat, au cas des nano fils de graphène multicouches. J'ai choisi le graphène comme matériau 2D de base pour la facilité de manipulation dans la fabrication des dispositifs. J'ai découvert que, en utilisant une couche d'oxyde de SiO2 épaisse et rugueuse, les pertes thermiques au substrat peuvent être considérablement réduites et j'ai dévoilé une forte réduction de la conductivité thermique du graphène, avec des valeurs aussi basses que 40 W/mK. L'idée subissant est de déployer, dans l'avenir, la même approche également aux TMDs pour obtenir une caractérisation thermoélectrique complète des dispositifs étudiés.