Project

Discipline

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

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.

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Last update: 03.10.2017

Number	Title	Start	Funding scheme

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.