Modelling of innovative devices based on van der Waals heterojunctions for nanoscale energy management

Modélisation de dispositifs innovants basés sur des hétérojonctions de van der Waals pour la gestion de l'énergie aux échelles nanométriques Les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont des matériaux bidimensionnels avec des propriétés remarquables pour diverses applications. En particulier, les monocouches de TMD semi-conductrices (p. ex. MoS2, WS2, WSe2) ont des propriétés optiques, électroniques et électrochimiques attractives et plusieurs dispositifs nanoélectroniques basés sur ces matériaux sont proposés. Dans cette thèse, nous modélisons deux dispositifs originaux qui utilisent les hétérojonctions de TMD dans leur partie active. Le premier dispositif a été conçu pour la production d'hydrogène, le second pour le refroidissement des nanodispositifs. Le premier dispositif convertit l'énergie solaire en énergie chimique en produisant de l'hydrogène grâce au craquage solaire de l'eau, cela, sans avoir besoin d'être alimenté ni connecté. Ce procédé nécessite une tension de 1.23 V entre les deux électrodes. La première électrode (cathode) réduit l'ion H+ pour former du H2 et la seconde électrode (anode) dissocie la molécule d'eau, par réduction de l'ion hydroxyde HO-, pour former du O2. Cependant, en prenant en compte les pertes intrinsèques du système, la tension nécessaire pour cette réaction est de l'ordre de 2 V. Pour atteindre cette tension (par effet photovoltaïque) tout en maximisant l'absorption du spectre solaire, nous utilisons une hétérojonction Z-scheme, inspirée du principe de la photosynthèse. La partie active de ce dispositif, qui doit à la fois capter la lumière solaire et catalyser les réactions électrochimiques, est une hétérojonction MoS2/WSe2. Nous avons développé un modèle basé sur la balance détaillée et qui permet de calculer l'efficacité « solar-to-hydrogen » du dispositif. Dans des conditions réalistes de fonctionnement, nous montrons que notre système atteint une efficacité de plus de 15%, suffisant pour rendre le craquage solaire de l'eau viable économiquement. Le second dispositif propose un mécanisme de refroidissement qui combine la réfrigération optique et le refroidissement par évaporation. Lorsqu'un semi-conducteur absorbe un photon, la paire électron-trou créée peut se recombiner radiativement pour émettre un autre photon. Si l'énergie de ce photon est supérieure à l'énergie du photon incident (grâce à l'absorption de phonons), de l'énergie est alors extraite du système. C'est la réfrigération optique. Ici, plutôt que d'utiliser la recombinaison radiative, qui est un processus assez lent dans la plupart des matériaux, nous proposons d'extraire les porteurs photo-générés vers un second semi-conducteur ayant une plus grande bande interdite. Le refroidissement provient alors du refroidissement par évaporation : les électrons « chauds » (c'est-à-dire les électrons de haute énergie) sont extraits de la distribution électronique, et les électrons restants thermalisent à une température plus basse. Notre dispositif est donc composé d'un absorbeur semi-conducteur en contact avec un réservoir de plus grand gap, formant ainsi une hétérojonction de type-I. Bien que ce système soit général et puisse être appliqué à un grand nombre de matériaux, nous nous concentrons dans ce travail sur un super réseau de MoS2/WSe2 pour l'absorbeur. Avec un modèle dédié, nous montrons que grâce à l'ionisation par impact (un phénomène prédominant dans les TMD), notre dispositif induit un refroidissement lorsqu'il est placé sous irradiation solaire. Nos modèles utilisent des résultats ab initio comme paramètres d'entrée. Cette méthode permet de calculer les propriétés physiques sans données empiriques ni expériences. Dans ce travail, nous avons utilisé la théorie du fonctionnel de la densité pour calculer les propriétés ab initio des TMD. Dans les deux modèles, nous nous concentrons exclusivement sur le MoS2 et le WSe2 mais il est important de noter que ces modèles sont très polyvalents et nécessitent peu de paramètres d'entrée. L'étude d'autres matériaux est possible sans nécessiter une refonte complète des modèles