Project

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Ab-initio modeling of electro-thermal effects in 2-D materials: from single-layer to van der Waals heterostructure (ABIME)

Applicant Luisier Mathieu
Number 175479
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Integrierte Systeme ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Microelectronics. Optoelectronics
Start/End 01.03.2018 - 31.12.2021
Approved amount 355'836.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Microelectronics. Optoelectronics
Electrical Engineering

Keywords (5)

2-D Materials; Simulation; Transport; Ab-initio; Electro-thermal

Lay Summary (French)

Lead
L'attention portée aux matériaux bi-dimensionaux (2-D) composés d'une seule couche d'atomes n'a cessé de croître ces dernières années auprès de la communauté scientifique. En effet, leur très faible épaisseur ainsi que l'extrême confinement des électrons le long d'une dimension leur confèrent des propriétés électroniques et optiques qui sont uniques. En plus de cela, les matériaux 2-D peuvent être assemblés comme des pièces de Lego pour former ce qui s'appelle des structures hétérogènes de type van der Waals (vdW). D'intenses recherches sont actuellement menées de par le monde pour découvrir des combinaisons de matériaux 2-D qui exhibent des propriétés qui vont au delà de ce que chaque élément, pris individuellement, amène. En d'autres termes, le monde académique est en quête de nouvelles structures qui sont plus que la somme de leurs composants 2-D.
Lay summary
Tandis que les propriétés électriques et optiques des matériaux bi-dimensionaux et des structures hétérogènes de type van der Waals qui en découlent ont été beaucoup étudiées ces dernières années, leurs caractéristiques thermiques n'ont pas bénéficié du même traitement approfondi. Le but de ce projet est donc d'améliorer la situation du côté thermique en développant de nouveaux outils de modélisation avancée qui s'appuient sur la physique fondamentale et qui peuvent être appliqués aussi bien aux cristaux 2-D qu'à leurs combinaisons. Pour cela, un simulateur de transport quantique dédié aux dispositifs d'échelle nanométrique et déjà existant sera amélioré grâce à l'ajout d'une méthode de pointe pour traiter la dissipation de chaleur dans les structures de très petite taille et grâce à des calculs ab initio (depuis les premiers principes).

Une technique originale de conception assistée par ordinateur pour les matériaux 2-D et leur assemblage en couches de van der Waals résultera de ce projet. En même temps, des lignes directrices pour la réalisation de dispositifs électroniques et thermoélectroniques impliquant des cristaux 2-D seront formulées et proposées à des groupes fabricant ce genre de composants. Ces derniers pourraient jouer un rôle très important dans le futur de l'industrie des semi-conducteurs ou bien dans la récupération de la chaleur perdue par les objets, les moteurs ou le corp humain. 
Direct link to Lay Summary Last update: 03.10.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Influence of the hBN dielectric layers on the quantum transport properties of MoS2 transistors
FioreSara, KlinkertCedric, DucryFabian, BackmanJonathan, LuisierMathieu (2022), Influence of the hBN dielectric layers on the quantum transport properties of MoS2 transistors, in Materials, 15, 1062.
Carrier Transport in 2-D Materials: an Ab Initio Study
Luisier Mathieu, Szabo Aron, Klinkert Cedric, Stieger Christian, Rau Martin, Agarwal Tarun, Lee Youseung (2021), Carrier Transport in 2-D Materials: an Ab Initio Study, in nanoGe Fall Meeting 2019, Berlin, GermanynanoGe, Germany.
Ab initio modeling of thermal effects in 2D van der Waals materials
LuisierMathieu, FioreSara, BunjakuTeutë, BackmanJonathan, KlinkertCedric, SzaboAron (2021), Ab initio modeling of thermal effects in 2D van der Waals materials, in 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, Optical Society of America, USA.
Impact of Orientation Misalignments on Black Phosphorus Ultrascaled Field-Effect Transistors
Klinkert Cedric, Fiore Sara, Backman Jonathan, Lee Youseung, Luisier Mathieu (2021), Impact of Orientation Misalignments on Black Phosphorus Ultrascaled Field-Effect Transistors, in IEEE Electron Device Letters, 42(3), 434-437.
WSe2/SnSe2 vdW heterojunction Tunnel FET with subthermionic characteristic and MOSFET co-integrated on same WSe2 flake
Oliva Nicolò, Backman Jonathan, Capua Luca, Cavalieri Matteo, Luisier Mathieu, Ionescu Adrian M. (2020), WSe2/SnSe2 vdW heterojunction Tunnel FET with subthermionic characteristic and MOSFET co-integrated on same WSe2 flake, in npj 2D Materials and Applications, 4(1), 5-5.
Ab initio modeling framework for Majorana transport in 2D materials: towards topological quantum computing
Lee Y., Agarwal T., Luisier M. (2020), Ab initio modeling framework for Majorana transport in 2D materials: towards topological quantum computing, in 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USAIEEE, USA.
Ab initio modeling of thermal transport through van der Waals materials
Fiore Sara, Luisier Mathieu (2020), Ab initio modeling of thermal transport through van der Waals materials, in Physical Review Materials, 4(9), 094005-094005.
2-D Materials for Ultrascaled Field-Effect Transistors: One Hundred Candidates under the Ab Initio Microscope
Klinkert Cedric, Szabó Áron, Stieger Christian, Campi Davide, Marzari Nicola, Luisier Mathieu (2020), 2-D Materials for Ultrascaled Field-Effect Transistors: One Hundred Candidates under the Ab Initio Microscope, in ACS Nano, 14(7), 8605-8615.
Ab initio mobility of single-layer MoS 2 and WS 2 : comparison to experiments and impact on the device characteristics
Lee Y., Fiore S., Luisier M. (2019), Ab initio mobility of single-layer MoS 2 and WS 2 : comparison to experiments and impact on the device characteristics, in 2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USAIEEE, USA.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Aaron Franklin (Duke University) United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Adrian Ionescu (EPFL) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Geoffrey Pourtois (imec) Belgium (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Nicola Marzari (EPFL) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Lukas Novotny (ETH Zurich) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159314 Physics-based Modeling of Electronic Devices at the Nanometer Scale 01.08.2015 SNSF Professorships
198612 Advanced Learning Methods On Dedicated nano-Devices (ALMOND) 01.03.2021 Sinergia
169413 ULTIMATE: Upper Limit Technology Investigations Mandatory to Attain Terahertz Electronics 01.02.2017 Project funding

Abstract

The goal of this project is to develop advanced simulation methodologies in order to shed light on the electro-thermal transport properties of single-layer 2-D materials and van der Waals heterostructures (vdWHs) made of two monolayers of transition metal dichalcogenide such as MoS2, MoTe2, or WSe2. The most challenging problems to address with this regard will consist in generating ab-initio Hamiltonian and dynamical matrices for complex 2-D atomic systems, deriving a general self-energy expression for the scattering of electrons with confined longitudinal optical phonons, evaluating the interplay between lattice temperature increases and structural deformations, and including anharmonic phonon decay processes in 2-D thermal transport. These issues will be solved by two Ph.D. students and implemented into an existing, state-of-the-art device simulator called OMEN. With these OMEN improvements it will be possible to quantify the influence of self-heating on the behavior of transistors with a 2-D channel and to determine whether the electron and phonon interactions present in vdWHs can be leveraged and engineered to create enhanced device functionalities, e.g. efficient nanoscale Peltier coolers or thermoelectric generators.
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