Description du sujet de thèse

Cette bourse de doctorat fait partie du projet TATAMI, un programme conjoint entre le CNRS/Aix-Marseille Université et l'Université de Tokyo. Il vise à étudier et à contrôler la conductivité thermique des dispositifs basés sur les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) et à développer des hétérostructures ayant des propriétés thermiques optimales.
La personne utilisera des codes de transport quantique atomistiques internes basés sur le formalisme NEGF (fonctions de Green hors-équilibre). L'approche NEGF est l'une des méthodes les mieux adaptées pour décrire de manière réaliste le transport quantique dans les nanostructures. À Marseille, le groupe du CNRS a mis en œuvre un code quantique NEGF capable de traiter le transport des phonons dans les nanostructures, y compris l'anharmonicité [1-3]. Dans une approche complémentaire, le groupe d'UTokyo est expert simulations "classiques" de dynamique moléculaire [4], La dynamique moléculaire permet l'étude des propriétés du transport des phonons à de plus grandes échelles spatiales. Cette approche multi-physique et multi-échelle offrira, sur la base des codes NEGF, une description précise des propriétés thermiques interfaciales, tandis que les simulations classiques fourniront une prescription plus globale afin d'optimiser les performances des dispositifs.
Le/la candidat.e appliquera ces codes pour étudier théoriquement le transport de la chaleur dans les TMDs et leurs hétérostructures. Il/elle devra i) répondre à des questions ouvertes sur les mécanismes de transport des phonons dans ces systèmes et ii) proposer des dispositifs innovants à haut rendement énergétique pour diffuser efficacement la chaleur à l'échelle nanométrique.
Références:
1) Y. Guo, M. Bescond, Z. Zhang, M. Luisier, M. Nomura, and S. Volz, “Quantum mechanical modeling of anharmonic phonon-phonon scattering in nanostructures,” Phys. Rev. B, 102, 195412 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.195412.
2) Guo, M. Bescond, Z. Zhang, S. Xiong, K. Hirakawa, M. Nomura, S. Volz, “Thermal conductivity minimum of graded superlattices due to phonon localization,” APL Materials 9 (9), 091104 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0054921
3) Y. Guo, Z. Zhang, M. Bescond, S. Xiong, M. Nomura, S. Volz, “Anharmonic phonon-phonon scattering at the interface between two solids by nonequilibrium Green's function formalism,” Phys. Rev. B 103 (17), 174306 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.174306
4) Z. Zhang, Y. Guo, M. Bescond, …, M. Nomura, and S. Volz, Phys. Rev. Lett. “Heat Conduction Theory Including Phonon Coherence,” 128 015901 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.015901

Contexte de travail

La miniaturisation des nano-dispositifs semi-conducteurs a induit des effets d'auto-échauffement très préjudiciables dû à la thermalisation des porteurs chauds générés par des champs électriques élevés. Ces effets d'auto-échauffement entraînent une réduction significative des performances et de la durée de vie des dispositifs. D'autre part, la réfrigération de l'ensemble des systèmes est extrêmement gourmande en énergie.
Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont des candidats très prometteurs pour les futures générations de transistors. Contrairement aux matériaux à base de carbone, les monocouches de TMD présentent un gap électronique direct et peuvent former des dispositifs de taille moléculaire, repoussant une fois de plus les limites de la loi de Moore. Toutefois, dans ce cas également, la densité d'intégration élevée entraînera inévitablement un auto-échauffement de la puce.
L'avantage des hétérojonctions TMD réside dans la pluralité de leurs types d'interaction. Les liaisons de van der Waals (vdW) entre deux couches empilées et les liaisons covalentes à l'intérieur d'une même couche confèrent à ces hétérostructures des propriétés thermiques très variées.

Contraintes et risques

Néant.