Electronic properties of two-dimensional heterostructures based on graphene and transition metal dichalcogenides

Étude des propriétés électroniques d'hétéro-structures à 2 dimensions composées de graphène et de dichalcogénures de métaux de transition. Depuis la découverte du graphène, les matériaux 2D ont suscité une attention considérable dans la communauté des matériaux pour l’électronique. Le graphène est un matériau prometteur par la très grande mobilité de ses porteurs de charge. Cependant, pur, il est un semi-métal sans bande interdite, ce qui le rend inapproprié pour des dispositifs électroniques. Récemment, de nouvelles familles de semi-conducteurs 2D, tels que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), ont été découvertes. Et il a été démontré que l'empilement de matériaux en couches, formant des hétérostructures, est une méthode très performante pour modifier leurs propriétés, les mélanger et en induire de nouvelles. Dans ce contexte, cette thèse a porté sur les propriétés électroniques de monocouches de TMD, de bicouches de graphène/TMD et de bicouches tournées de TMD. Afin d'étudier ces structures complexes, nous avons combiné approches par théorie de fonctionnelle de la densité (DFT) et par modèles simplifiés en liaisons fortes (TB).La première partie consiste en l’étude théorique des d'imperfections de la structure cristalline, telles que les défauts ponctuels pouvant modifier fortement les propriétés de transport. Nous analysons l'effet de lacunes atomiques sur la densité des états, la conductivité et la mobilité des monocouches de TMDs semi-conducteurs MX2 (M = Mo, W et X = S, Se, Te). La structure électronique est décrite par onze bandes, combinaison des orbitales d du métal M et des orbitales p du chalcogène X. Par une méthode de récursion dans l'espace réel (méthode de Lanczos) et la formule de Kubo-Greenwood nous calculons la conductivité pour différentes distributions de désordre. Nos résultats montrent comment les lacunes créent des états d'impureté qui localisent les porteurs de charge autour des défauts et modifient les propriétés de transport.La deuxième partie se concentre sur les propriétés d’hétérostructures de van der Waals bicouche graphène/MoS2, graphène/WSe2 et de la bicouche tournée de MoS2 par des calculs DFT et TB. Les calculs de DFT, à partir d’ondes plane et de pseudo-potentiel, ont été effectués avec le logiciel ABINIT en utilisant l’approximation de gradient généralisées et de la densité locale pour le potentiel d'échange-corrélation. Afin d'obtenir des résultats précis, nous relaxons les positions atomiques ainsi que le paramètres de maille. Ces calculs montrent l'effet de l'espacement entre les monocouches de graphène et MX2 sur la position du cône de Dirac du graphène dans la bande interdite du semi-conducteur MX2. Nous analysons aussi les propriétés électroniques avec et sans optimisation des positions atomiques dans différentes configurations de bicouches. Pour cela, nous avons étudié des super-mailles de graphène/MoS2 (4x4/3x3 [4:3], 5x5/4x4 [5:4], 9x9/7x7 [9:7]) et de graphène/WSe2 (4x4/3x3 [4:3]) ayant des incompatibilités de paramètres de maille différentes. En effet cette incompatibilité est un paramètre clé, alors qu'il a souvent été négligé dans les études précédentes. Le couplage spin-orbite est également inclus pour étudier comment le fort spin-orbite du MX2 peut influencer celui du graphène.Enfin, nous étudions la localisation électronique dans les bicouches tournées de MoS2. Nous proposons un nouveau modèle TB, de type Slater-Koster basé sur la DFT, pour calculer la structure de bande de bicouches tournées aux petits angles de rotation thêta, qui formant un moiré de trop grande taille pour être traité en DFT. Cela permet l’une des premières études fiable et systématique pour une grande gamme des angles de rotation thêta. Nous montrons que des bandes isolées apparaissent à basse énergie faible pour thêta < 5 - 6°. Ces bandes deviennent plates, caractérisées par une vitesse moyenne très faible, pour des angles plus petits thêta < 2°, confirmant ainsi l'existence de bandes plates de moiré dans les bicouches tournées de semi-conducteurs, comme elles existent dans les bicouches de graphène.