Propriétés électroniques et thermoélectriques des matériaux 2D sur substrat

Our age has seen an exponential technological growth never recorded before. In the context of this technological development, the availability of clean and renewable energy has become a challenging issue pushing research efforts. Thermoelectric (TE) conversion, namely the ability of a material to generate electric power from a temperature gradient or a thermal current from an applied voltage, aims to recover this wasted energy and the research on new thermoelectric materials is recently experiencing a new enthusiastic boost. Thermoelectric devices are reliable and do not pollute the atmosphere, but their low conversion efficiency remains the limit of an extensive development. New energy recovery solutions are currently highly demanded in particular in the domain of micro- and nano-electronics.The aim of this PhD work is to contribute in finding original solutions to engineer new devices based on 2D materials improving TE performances, particularly considering the on-substrate configuration, actually more appropriate for applications. In particular, I have investigated the electric and thermoelectric properties of hBN/WSe2 heterostructures, where the hBN layer acts simultaneously as spacer, to decouple the TMD from the SiO2 substrate, and as dielectric, to efficiently couple the TMD to a local gate. Tungsten diselenide (WSe2) has been the material of choice since only few works have focused on its thermoelectric properties, revealing, so far, promising results. Moreover, WSe2 owns a particularly low thermal conductivity (1 - 2 W/mK at room temperature), making this material appealing for TE applications. I have performed a detailed analysis of the electric and thermoelectric properties at room temperature of such devices as a function of the metal used for electrical contacts. I found out high values of Seebeck coefficient, up to 200 μV/K, and power factor, up to 4 μW/cm K2, depending on the used metal, revealing the importance of the electronic properties at the electrode/2D material interface for enhanced device performances. Furthermore, I got interested into the complex question of correctly measuring the physical parameters defining the TE performances in actual devices based on supported low dimensional materials. The ZT parameter of a given TE device, which quantifies the energy conversion efficiency, depends on the thermal conductivity of the chosen material, which, at room temperature, is dominated by phonons. In a supported configuration, thermal losses to the substrate strongly dominate heat transport and, phonon boundary and interface scattering can strongly modify the material thermal conductivity. During my PhD work, I have proposed the use of the Joule self-heating method, already used to evaluate the thermal conductivity of supported metallic nanowires, to the case of multilayer graphene nanowires. I chose graphene as a test-bed 2D material for the easiness of its manipulation for device fabrication. I found out that, by using a thick and rough SiO2 oxide layer, thermal losses to the substrate can be considerably reduced and I unveil an effective reduction of the graphene thermal conductivity, with values as low as 40 W/mK. The underlying idea is to extend, in the future, the same approach also to TMDs to achieve a complete in-situ thermoelectric characterization of the studied devices.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 thermoélec- triques 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 travaux se sont concentrés sur ses propriétés thermoélectriques, révélant, jusqu’à présent, des résultats prometteurs. De plus, le WSe2 possède une conductivité thermique par- ticulièrement 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 μV/K et facteur de puissance, jusqu’à 4 μW/cm K2, en fonction du métal utilisé, révélant l’importance des propriétés électroniques à l’interface électrode / ma- tériau 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 basés sur des matériaux à basse dimensionnalité sur substrat. 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 multi- couches. 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