Simulations quantiques du phénomène de commutation résistive dans des empilements à base de matériaux 2D

                                                                                         
Soutenance de thèse de Gaëlle BIGEARD , pour une thèse de doctorat de l'Université Grenoble Alpes, spécialité  " NANO ELECTRONIQUE et NANO TECHNOLOGIES "

Mots-clés:
Transport quantique de charges,Nanoélectronique,Théorie de la fonctionnelle de la densité,Fonctions de Green

Résumé :
L’objectif de cette thèse est inscrit dans la compréhension de la commutation résistive de dispositifs verticaux de type métal|matériau 2D|métal. Ces dispositifs présentent au moins deux états de résistance non-volatiles qui restent à être complètement paramétrés. Afin de comprendre le mécanisme de commutation résistif de ces dispositifs, il faut avant tout connaitre tous les possibles états de forte et faible résistance.
La première étape à effectuer est donc de simuler des dispositifs parfaits, puis d’ajouter des défauts. L’objectif de cette thèse est d’établir une base de donnée de tel dispositifs métal|materiau 2D|métal parfaits, qui servira de base solide pour de prochains travaux.
 Suivant cet objectif, les propriétés électroniques des dispositifs métal|matériau 2D|métal sont calculés  en utilisant la fonctionnelle de la densité, et leur conductance est calculée via le formalisme des fonctions de Green hors équilibre. Les simulations sont faites sur trois serveurs Linux locaux, ainsi que  les serveurs GRICAD, TGCC, et IDRIS Jean Zay pour plus de 4 million d’heures CPU. Le travail est  divisé en trois principales base de données : une base de donnée matériaux, dispositifs, et transport.
 La base de donnée matériaux est utilisée pour obtenir les propriétés électroniques des matériaux  individuels, et les paramètres de simulations. Nous étudions des électrodes en or, argent, cuivre, nickel, platine, chrome, et nitrure de titane. Les matériaux 2D choisis sont le nitrure de bore hexagonal, le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (phases semi-conductrice 2H et métallique 1T) contenant du molybdène, du tungstène, du soufre, du sélénium et du tellure. La base de donnée de dispositifs est utilisée pour obtenir les propriétés électroniques des dispositifs métal|matériau 2D|métal. Cette base de donnée utilise directement les propriétés et paramètres de simulation de la précédente base de données. Elle fournit les barrières de Schottky, l’existence d’états  dans le gap, et les barrières tunnels aux contacts. Chaque dispositif est composé de deux matériaux : les électrodes faites du même matériau ayant (111) comme orientation cristallographique, ainsi qu’une à quatre couches du même matériau 2D. Les résultats montrent que les propriétés électroniques du
 matériau 2D au contact d’une électrode sont fortement modifiées : la densité d’états est décalée en énergie et déformée par de nouveaux états. Plus l’énergie de liaison du contact est élevée, plus les modifications sont importantes, et plus les barrières tunnels sont faibles. La base de donnée de transport calcule le courant traversant chaque dispositif de la base de donnée des dispositifs. Cette base de donnée requière des optimisations supplémentaires. Les conclusions sont en accord avec les résultats de la base de donnée des dispositifs : changer la position relative des électrodes par rapport au matériau 2D, le matériau des électrodes, ou encore le matériau 2D, modifie la conductance demoins d'un ordre de grandeur. Seule une modification du nombre de couches du matériau 2D modifie significativement la conductance. Une perte d'environ un ordre de grandeur de conductance est observée par couche ajoutée. Ce comportement dépends des propriétés initiales du matériau 2D.
Par conséquent, la résistance de canal est supérieure à la résistance des contacts, et cette dernière est faible. Si la résistance de chaque contact est principalement contrôlée par la distance entre le matériau 2D et l’électrode, la résistance de canal est quant à elle entièrement contrôlée par le choix du matériau 2D. Ces résultats ne concordent pas avec les résultats de la littérature expérimentale, où la résistance de contact est non seulement beaucoup plus élevée, mais aussi plus élevée que la résistance de canal.
 L'explication la plus plausible réside dans la distance entre le matériau 2D et l’électrode : augmenter cette distance d'un angström suffit à diviser la conductance par dix.

Membres du JURY :

• M. Francis BALESTRA, CNRS : Directeur de thèse
• M. Yannick DAPPE, CNRS : Rapporteur
• M. Stephan ROCHE, Institut catalan de recherche et d'études avancées : Rapporteur
• M. Mairbek CHSHIEV, Université Grenoble Alpes : Examinateur 
• M. Henri HAPPY, Université de Lille:  Examinateur