Soutenance de thèse 20/10/2023 - Paul DALLA VALLE - Modélisation de dispositifs innovants basés sur des hétérojonctions de van der Waals pour le management de l’énergie aux échelles nanométriques

Annonce de soutenance de thèse

M. Paul DALLA VALLE

(ED N°353 : Sciences pour l’ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique )

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

Modélisation de dispositifs innovants basés sur des hétérojonctions de van der Waals pour le management de l’énergie aux échelles nanométriques

Dirigé par : Nicolas CAVASSILAS (Département EMONA, équipe NQS)

Le vendredi 20 octobre 2023 à 14h, Bâtiment Henri Pointcaré, IM2NP, Faculté des Sciences de St Jérôme

  https://univ-amu-fr.zoom.us/j/84986474581?pwd=czMzb00rdEZ0T1A3aU03Vm9rMTVtQT09
ID de réunion: 849 8647 4581
Code secret: 100797

Résumé

Les monocouches de dichalcogéniures de métaux de transition (TMD) sont des matériaux bidimensionnels avec des propriétés remarquables pour diverses applications. En particulier, les monocouches de TMD semiconductrices (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 semiconducteur 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 photogénérés vers un second semiconducteur 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 semiconducteur 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 superréseau 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.

Abstract

Monolayers of transition metal dichalcogenide (TMD) are two-dimensional materials with remarkable properties for various applications. In particular, semiconducting TMD monolayers (e.g. MoS₂, WS₂, WSe₂) have appealing optical, electronic and electrochemical properties and various nanoelectronic devices based on these materials are proposed. In this thesis, we model two original devices that use TMD heterojunctions in their active core. These two devices have been designed for distinct applications, the first for hydrogen production, and the second for nanoscale cooling.

The first device converts solar energy into chemical energy by producing hydrogen thanks to overall solar water splitting, without needing to be powered or connected. The process requires a voltage of 1.23 V between the two electrodes. The first electrode (cathode) reduces the H⁺ ion to form H₂ and the second electrode (anode) dissociates the water molecule by reducing the hydroxide ion HO^- to form O₂. However, considering the intrinsic losses of the system, the voltage required for this reaction is of the order of 2 V. To achieve this voltage (with the photovoltaic effect) while maximising the absorption of the solar spectrum, we use a Z-scheme heterojunction, inspired by the natural photosynthesis process. The active core of this device, which must both harvest sunlight and catalyse electrochemical reactions, is a MoS₂/WSe₂ heterojunction. We have developed a numerical model based on the detailed balance to calculate the solar-to-hydrogen efficiency of the device. Under realistic operating conditions, we show that our system achieves an efficiency of over 15%, sufficient to make solar water splitting economically viable.

The second device proposes a nanoscale cooling mechanism which combines the two techniques of optical refrigeration and evaporative cooling. When a semiconductor absorbs a photon, the photogenerated electron-hole pair can recombine radiatively to emit another photon. If the energy of this photon is higher than the energy of the incident photon (thanks to the absorption of phonons), energy is extracted from the system. This is optical refrigeration. Here, instead of using radiative recombination, which is a rather slow process in most materials, we propose to extract the photogenerated carriers to a second semiconductor with a larger band gap. The cooling then comes from evaporative cooling: the "hot" electrons (i.e. the high-energy electrons) are extracted from the electronic distribution, and the remaining electrons thermalise at a lower temperature. Our device consists of an absorber in contact with a reservoir with a larger gap, forming a type-I heterojunction. Although this system is general and can apply to many materials, in this work we focus on a MoS₂/WSe₂ superlattice for the absorber. Using a dedicated model, we show that, thanks to impact ionisation (a predominant phenomenon in TMDs), our device induces cooling when placed under solar irradiation.

Our models use ab initio results as input parameters. This method allows physical properties to be calculated without empirical data or experiments. In this work, we use density functional theory to calculate the ab initio properties of TMDs. In both models, we focus only on MoS₂ and WSe₂, but it should be noted that these models are very versatile and require few input parameters. The study of other materials is possible without requiring a complete overhaul of the models.

Mots clés: 

modèles numériques, dichalcogéniures de métaux de transition, hétérojonction de van der Waals, craquage solaire de l'eau, refroidissement des nanodispositifs, ab initio

Keywords: 

numerical simulations, transition metal dichalcogenides, van der Waals heterojunctions, solar water splitting, nanoscale cooling, ab initio

Composition du jury :