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Interfaces métal/M oS2 dans des dispositifs pour l’optoélectronique
Les composants optoélectroniques sont des dispositifs qui peuvent capter, émettre, interagir avec ou encore contrôler la lumière. Dans ce sens, M oS2 peut être utilisé en tant qu’émetteur de lumière (λ ∼ 660 nm à température ambiante) dans des diodes électro-luminescentes [89]. Dans le cadre de l’élaboration d’une diode électro-luminescente, il est utile de préciser que l’utilisation de M oS2 sous forme de mono-feuillet est cruciale. Rappelons que si un photon arrive dans un semi-conducteur à gap direct avec une énergie supérieure à celle du gap, alors il pourra être absorbé ou émis directement. Dans le cas d’un gap indirect, comme dans un multi-feuillets de M oS2, le photon sera absorbé ou émis accompagné d’un phonon pour compenser la différence de vecteurs d’onde. Il en résulte une diminution de l’efficacité d’absorption et d’émission. Pour une LED, il est donc important d’utiliser un mono-feuillet de M oS2 qui possède un gap direct (et qui, de plus, rend le composant flexible).
Ainsi, il est possible de créer une diode électro-luminescente à partir d’un mono-feuillet de M oS2 avec une possible détection et émission dans le visible. La diode FET de R. S. Sundaram et al. [89] est constituée d’une source et d’un drain en Cr/Au qui connectent un mono-feuillet de M oS2 (la couche d’or de 50 nm est déposée par évaporation thermique sur une couche d’adhésion de 2 nm de Cr). L’ensemble est recouvert d’une matrice isolante de Al2O3, sur laquelle deux élec-trodes supplémentaires en Cr/Au sont déposées. Il n’est à priori, pas nécessaire d’avoir une couche de Cr trop importante : 2 nm suffisent pour établir une connex-ion entre l’or et M oS2. Dans ce composant, le feuillet de M oS2 est donc en contact avec du Cr.
Le dispositif optoélectronique présenté par R. S. Sundaram et al. a une résis-tance de 2 MΩ pour l’état on, avec un ratio on/off de 103. Les auteurs de cette publication espéraient contrôler le dopage dans ce dispositif grâce à l’application de champs électriques, ce qui ne semble pas évident. Les spectres d’absorption et de photoluminescence mesurés pour ce dispositif permettent d’obtenir des informa-tions sur l’interaction entre le feuillet de M oS2 et l’oxyde Al2O3 avec lequel il est en contact. Les auteurs de cet article précisent que leur système pourrait également être utilisé pour de possible application en photo-voltaïque [34] et que l’intensité du photo-courant devrait fortement dépendre de la hauteur de la barrière Schottky qu’ils estiment comprise entre 100 et 400 meV [89]. Le dispositif de Sundaram et al.
donne une valeur du ratio on/off importante, même si elle n’est pas aussi grande que celle de 108 mesurée sur un autre dispositif à base de M oS2 par Radisavljevic et al. [3]. La différence entre les ratio on/off mesurés pour ces deux systèmes pourrait s’expliquer par la nature des contacts, “top-edge” pour l’un et “edge” pour l’autre. Il y a donc plus de transfert de charge dans le premier de ces systèmes (contact top-edge), pour lequel le recouvrement des orbitales est plus important à l’interface, que pour le second (contact edge).
L’article de Lopez-Sanchez et al. [90] étudie un photo-détecteur dont l’architecture est représentée sur la figure 2.15. Grâce au gap direct de la mono-couche de M oS2 et au confinement bidimensionnel, l’absorption de photons et la génération optique de paires électron-trou sont optimisées. Une photo-réponse de l’ordre de 880 AW −1 est ainsi obtenue à 561 nm.
Bilan bibliographique sur les dispositifs métal/W Se2
Fang et al. mettent en place un transistor p-FET dopé chimiquement par dépôt de dioxyde d’azote, qui permet de diminuer la largeur et dans un moindre mesure la hauteur de la barrière Schottky se formant à l’interface entre une électrode d’alliage Au/P d et W Se2. Le transistor à base de W Se2 ainsi constitué propose une grande mobilité des porteurs de charge : 140 cm2V −1s−1 à température ambiante pour les électrons et ∼ 250 cm2V −1s−1 pour les trous [91] (contre 3 cm2V −1s−1 au mieux pour les premières études sur M oS2 [50]). Cependant, le ratio on/off de ce dispositif à base de W Se2 est de 106 à température ambiante, soit un ordre de grandeur de moins que pour les transistors à base de M oS2. Pour pouvoir augmenter le transport dans un n-FET, Fang et al. proposent de diminuer la hauteur de la barrière Schottky (l’ancrage du niveau de Fermi est plus faible dans W Se2, traduisant une plus forte dépendance de la barrière Schottky au travail de sortie du métal). Pour comprendre le fonctionnement de ces systèmes, Kang et al. réalisent une étude théorique, basée sur des calculs ab-initio portant sur des contacts ohmiques entre un mono-feuillet de W Se2 et des métaux non-magnétiques [88].
En s’appuyant sur les travaux de Kang et al., Liu et al. réalisent un transistor n-FET avec une jonction directe entre un métal (aluminium ou argent) et W Se2 [52]. Parmi les métaux utilisés lors de cette étude, l’aluminium est celui qui présente le travail de sortie le plus bas et le plus en adéquation avec l’affinité électronique de W Se2, ce qui devrait permettre d’obtenir une barrière de Schottky de faible hauteur. Dans la pratique, les choses sont plus compliquées et les contacts Al/W Se2 sont responsables d’une diminution de la mobilité apparente (on est loin d’avoir un contact ohmique). En conséquence, Liu et al. constatent une très faible mobilité apparente des porteurs de charge (0.1 cm2V −1s−1) dans des FETs avec des contacts
Al/W Se2.
De manière alternative, Chuang et al. [92] ont réalisé un dispositif FET, constitué
Contacts Métal ferromagnétique-TMDC
d’un mono-feuillet de h-BN déposé sur un mono-feuillet de W Se2. L’ensemble
est contacté par un liquide ionique et du graphène (voir figure 2.16). Les auteurs montrent qu’il est possible d’avoir un ratio on/off de 107 à 170 K pour le canal électronique. Ils obtiennent également une mobilité pour les électrons et les trous de ∼ 200 cm2V −1s−1 à 160 K. Le choix de ces auteurs s’est porté sur l’utilisation d’un contact en graphène pour diminuer la hauteur de la barrière Schottky. En effet, on peut modifier à souhait le travail de sortie du graphène par des méthodes de dopage électrostatique ou chimique. Cette modularité du travail de sortie du graphène a permis à l’équipe de Chuang et al. de mettre au point des FETs dopés n ou p. Une autre stratégie, qui fonctionne en synergie avec le contact de graphène, est l’ajout d’un champ électrique pour diminuer la largeur et la hauteur de la barrière Schottky et ainsi permettre aux électrons de passer par effet tunnel et par effet thermo-ionique, respectivement.
Lopez-Sanchez et al. [85], quant à eux, développent un dispositif optoélectron-ique à base de mono-feuillets de M oS2 et de W Se2, de type spin LED planaire. La source du dispositif est constituée d’un alliage de F e/N i (composition 81 : 19) qui injecte des trous polarisés en spin dans W Se2. La superposition des deux matériaux M oS2 et W Se2 réalise une jonction p − n, avec l’électrode d’or qui sert de réser-voir d’électrons pour M oS2. Ces auteurs ont montré, avec ce dispositif, qu’il est possible d’injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans W Se2 (nous y reviendrons dans le chapitre 5) via le contact permalloy/W Se2.
Table des matières
Remerciements .
Introduction
1 Rappels sur la théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT)
1.1 Le problème à N corps
1.2 Le formalisme de la DFT
1.2.1 Les théorèmes de Hohneberg et Kohn
1.2.2 L’équation de Kohn et Sham
1.2.3 Les différentes fonctionnelles
La fonctionnelle de la densité locale (LDA)
La GGA et la fonctionnelle PBE (J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof) Remarques sur la non prise en compte des forces de Van-der- Waals
1.3 Le code Wien2k
1.4 Les bases de fonctions utilisées par Wien2k
1.4.1 La base des Ondes Planes Augmentées (APW) .
1.4.2 La base des Ondes Planes Augmentées Linéarisées
1.4.3 La base LAPW+LO
1.4.4 la base APW+lo
1.5 Calcul de la structure de bandes et des densités d’états totale
partielles avec Wien2k
2 Les dichalcogénures de métaux de transition et leurs applications dans des dispositifs pour l’électronique
2.1 Les Dichalcogénures de Métaux de Transition
2.1.1 MoS2, un semi-conducteur bidimensionnel
Structure atomique de MoS2 .
Structure de bandes de MoS2 .
Avantages de MoS2 par rapport au graphène
2.1.2 WSe2, un autre semi-conducteur bidimensionnel
Structure électronique de WSe2
2.2 h-BN un isolant bidimensionnel .
2.3 Contacts Métal ferromagnétique-TMDC
2.3.1 Nécessité des contacts Métal/TMDC
2.3.2 Les dispositifs de la spintronique et l’injection de spin dans un
semi-conducteur
2.3.3 Bilan bibliographique sur les interfaces métal/MoS2 et dispositifs
associés
A. Interfaces métal (ferromagnétique)/1H −MoS2 .
B. Dispositifs à base de contacts métal/MoS2 pour la nanoélectronique,
la spintronique et l’optoélectronique
Interfaces métal/MoS2 dans des dispositifs pour la nanoélectronique
ou la spintronique
Interfaces métal/MoS2 dans des dispositifs pour l’optoélectronique
2.3.4 Bilan bibliographique sur les dispositifs métal/WSe2
3 Introduction aux barrières Schottky
3.1 Introduction
3.2 Modèle de Schottky-Mott .
3.2.1 Contact métal/semi-conducteur à l’équilibre : Cas oùm >
3.2.2 Calcul de l’énergie de courbure de bandes : la Zone de Charge
d’Espace (ZCE)
3.3 Ancrage du niveau de Fermi, modèle de Bardeen, modèle de Cowley et Sze
3.3.1 Ancrage du niveau de Fermi, Modèle de Bardeen
3.3.2 Cas intermédiaire : modèle de Cowley et Sze [96]
4 Structure électronique de l’interface Co(0001)/MoS2
4.1 Paramètres de calcul et construction de la supercellule
4.2 Structure atomique de la supercellule Co/MoS2 .
4.3 Structure électronique de l’interface Co/MoS2
4.3.1 Préambule : Structure de bandes du mono-feuillet de MoS2
4 × 4 .
4.3.2 Structure de bandes de l’interface Co/MoS2
4.3.3 Densité d’états à l’interface Co(0001)/MoS2
4.3.4 Polarisation en spin à l’interface Co(0001)/MoS2
4.4 Moments magnétiques de spin à l’interface Co/MoS2
4.5 Transferts de charge à l’interface Co(0001)/MoS2 .
4.6 Perspectives : vers l’injection de spin dans MoS2 par contact électrique .
5 Structure électronique de l’interface Ni(111)/WSe2
5.1 Paramètres et supercellule utilisés pour le calcul
5.2 Structure atomique de la supercellule Ni/WSe2
5.3 Structure électronique de l’interface Ni/WSe2
5.3.1 Structure de bandes de l’interface Ni(111)/WSe2
5.3.2 Densité d’états à l’interface Ni(111)/WSe2 .
5.4 Moments magnétiques de spin à l’interface Ni(111)/WSe2
5.5 Transferts de charge à l’interface Ni(111)/WSe2
5.6 Effets du couplage spin-orbite
Bilan et perspectives
A Codes AWK pour le traitement de données pour tracer les structures
de bandes
Bibliography
