Transistor à effet de champ comme plateforme pour l’étude du transport de charge et du magnétotransport dans le disulfure de molybdène.

Hamdi, Anoir (2025). Transistor à effet de champ comme plateforme pour l’étude du transport de charge et du magnétotransport dans le disulfure de molybdène. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 155 p.

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Résumé

Les transistors à effet de champ (FETs), dont la quasi-totalité sont fabriqués à partir de silicium, constituent un bloc de construction de base clés des circuits électroniques intégrés modernes. Un FET typique est composé de trois électrodes, une source et un drain qui servent de contact pour le canal semi-conducteur (qui les relie) et une électrode de grille séparé du canal par une couche diélectrique et sert à contrôler électrostatiquement le courant qui le traverse. En plus de leurs utilisations comme interrupteurs dans les circuits numériques et capteurs chimiques ou biologique pour des applications dans les domaines médical et environnemental, les transistors à effet de champ constituent une plateforme idéale pour étudier le transport de charge dans de nouveaux matériaux et évaluer leurs performances électriques dans des applications opérationnelles. Les matériaux bidimensionnels ont suscité un vif intérêt, en particulier le disulfure de molybdène (MoS₂), auquel s'intéresse cette thèse et qui a été identifié comme le matériau le plus prometteur parmi les dichalcogénures de métaux de transition. Il est constitué d’un empilement de couches chacune constituée d’un plan d’atomes de soufre, à l’intérieur de chaque couche les atomes sont lié de manière covalente alors que les liaisons inter-couches sont de types Van der Waals. Le MoS₂ possède une haute qualité cristalline (une planéité atomique de flocons exfoliés avec très peu des pièges et de liaisons pendantes), ainsi selon la phase cristalline adopté (2H, 1T ou 1T’) il peut manifester respectivement un comportement semi-conducteur, métallique ou semi-métallique. Ce matériau présente également une bande interdite indirecte qui devient directe lorsque son épaisseur est progressivement réduite jusqu’à la monocouche.

Dans le présent travail de thèse, nous exploitons la configuration de dispositif FET pour étudier le MoS₂ intégré dans ce système en tant que canal. Dans un premier temps, nous nous sommes concentrés sur l’étude de microflocons de MoS₂ obtenus par exfoliation mécanique à l’aide d’un ruban adhésif, cette technique permettant généralement de produire des monocouches et des multicouches de MoS₂ présentant une excellente qualité cristalline. Ces flocons ont ensuite été intégrés dans des dispositifs FET via un processus de microfabrication, et l’effet du champ magnétique externe sur la structure de bande ainsi que sur le transport de charge dans trois systèmes différents : monocouche, quelques couches de MoS₂ et MoS₂ massif a été étudié, ce qui a conduit à la mise en évidence d’une magnétorésistance (MR) significative. L'une des conséquences, qui suscite un intérêt considérable, est pertinente sur le plan technologique pour des applications telles que la détection ou le stockage de mémoire magnétique. En profitant de la géométrie des transistors à effet de champ, qui permet un ajustement précis de la densité des porteurs de charge, ainsi que d’un système de mesures de propriétés physiques (PPMS-Dynacool) assurant la caractérisation électrique des dispositifs MoS₂-FET dans une large gamme de températures [1.8 - 400 K] et sous l’effet de champs magnétiques allant jusqu’à 9T, et en utilisant des simulations via la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), on a réussi à définir à la fois l’origine exacte de la MR observée dans les trois systèmes MoS₂ et les conditions optimales de fonctionnement d’un capteur magnétique MoS₂-FET. Les différents résultats sont présentés dans le chapitre 3. La deuxième partie a porté sur l’étude des films ultraminces de MoS₂ déposés par ablation laser pulsé (cette technique qui a démontré un fort potentiel pour produire des films de grande surface destinés à des applications concrètes). En ajustant simplement le nombre d’impulsions laser incidentes (NLP), nous avons pu produire des couches de MoS₂ d’une épaisseur comprise entre 1.3 nm et 12.6 nm. Des mesures électriques et Raman ont été effectuées sur les différents échantillons et ont permis de caractériser leurs propriétés électriques et structurelles, ainsi que de suivre l’évolution de ces propriétés en fonction de l’épaisseur. L’ensemble des résultats obtenus est présenté dans le chapitre 4. Ensuite, dans le cadre du troisième projet de cette thèse, et en partant des dispositifs FET-MoS₂, nous avons fabriqué des transistors à double couches électriques MoS₂-EDLT en utilisant deux liquides ioniques différents [EMIM][TFSI] et [EMIM][BF4]. Des caractérisations électriques, corroborées par des simulations de dynamique moléculaire classiques et ab initio, ont été menées en vue d’étudier l’interface LI/MoS₂ et d’évaluer l’influence de la nature de l’anion sur l’efficacité du gating. Les résultats expérimentaux et de simulation sont présentés en détail dans le chapitre 5.

Cette thèse propose la configuration FET comme une plateforme efficace et polyvalente pour étudier le transport de charge et le magnétotransport dans le MoS₂ exfolié et déposé par PLD, tout en mettant en lumière ce TMD représentatif, considéré comme l’un des matériaux les plus prometteurs pour l’électronique du futur.



Field-effect transistors (FETs), most of which are fabricated from silicon, constitute one of the fundamental building blocks of modern integrated electronic circuits. A typical FET comprises three electrodes: the source and the drain, which act as terminals for the semiconductor channel connecting them, and the gate electrode, which is isolated from the channel by a dielectric layer. The gate modulates the current flowing through the channel by means of an electrostatic field, enabling precise control of the device's conductivity. In addition to their use as switches in digital circuits and as chemical or biological sensors for medical and environmental applications, field-effect transistors (FETs) provide an ideal platform for studying charge transport in novel materials and for evaluating their electrical performance in practical devices. Two-dimensional materials have attracted considerable attention, particularly molybdenum disulfide (MoS₂), the focus of this thesis, which has been identified as the most promising candidate among transition metal dichalcogenides. It consists of a stack of layers, each composed of a plane of sulfur atoms. Within each layer, the atoms are covalently bonded, whereas the interlayer interactions are of the Van der Waals type. MoS₂ exhibits high crystalline quality, characterized by the atomic flatness of exfoliated flakes with very few traps and dangling bonds. Depending on the crystalline phase adopted (2H, 1T, or 1T’), it can display semiconducting, metallic, or semi-metallic behavior, respectively. Moreover, in its semiconducting 2H phase, this material possesses an indirect band gap, which becomes direct as its thickness is gradually reduced down to a single monolayer.

In this thesis, we employ the FET device configuration to investigate MoS₂ integrated as the channel material. As a first step, we focused on the study of MoS₂ microflakes obtained by mechanical exfoliation using adhesive tape, a technique that typically yields monolayers and multilayers of MoS₂ with excellent crystalline quality. These flakes were subsequently integrated into FET devices through a microfabrication process, and the effect of an external magnetic field on the band structure and charge transport in three different systems, monolayer, few-layer MoS₂, and bulk MoS₂, was investigated, leading to the observation of a significant magnetoresistance (MR). One of the consequences, which has attracted considerable interest, is relevant for applications such as detection and magnetic memory storage. By taking advantage of the geometry of field-effect transistors, which allows precise adjustment of charge carrier density, together with a Physical Property Measurement System (PPMS-Dynacool) enabling the electrical characterization of MoS₂-FET devices over a wide temperature range [1.8-400 K] and under magnetic fields up to 9 T, and by employing simulations based on Density Functional Theory (DFT), we succeeded in identifying both the exact origin of the MR observed in the three MoS₂ systems and the optimal operating conditions of a MoS₂-FET magnetic sensor. The various results are presented in Chapter 3. The second part addressed the study of ultrathin MoS₂ films deposited by pulsed laser deposition (PLD), a technique that has demonstrated strong potential for producing large-area films suitable for practical applications. By simply adjusting the number of incident laser pulses (NLP), we were able to produce MoS₂ layers with thicknesses ranging from 1.3 nm to 12.6 nm. Electrical and Raman measurements were carried out on the different samples, enabling us to characterize their electrical and structural properties, as well as to monitor how these properties evolve with thickness. All the results obtained are presented in Chapter 4. Subsequently, within the framework of the third project of this thesis, and building on MoS₂-FET devices, we fabricated MoS₂ electric double-layer transistors (MoS₂-EDLTs) using two different ionic liquids, [EMIM][TFSI] and [EMIM][BF4]. The electrical characterization, supported by both classical and ab initio molecular dynamics simulations, was carried out to investigate the IL/MoS₂ interface and to assess the influence of the anion nature on gating efficiency. The experimental and simulation results are presented in detail in Chapter 5.

This thesis proposes the FET device geometry as an efficient and versatile platform for investigating charge transport and magnetotransport in MoS₂, both mechanically exfoliated and deposited by PLD, while highlighting this representative TMD as one of the most promising materials for future electronics.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Orgiu, Emanuele
Mots-clés libres:	MoS2 ; transistor à effet de champ ; densité de porteurs de charge ; double couche électrique ; PLD ; exfoliation mécanique ; liquide ionique ; magnétorésistance ; transport de charge ; matériaux bidimensionnels ; MoS2 ; field-effect transistor ; charge carrier density ; electric double layer ; PLD ; mechanical exfoliation ; ionic liquid ; magnetoresistance ; charge transport ; two-dimensional materials.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	27 mai 2026 16:03
Dernière modification:	27 mai 2026 16:03
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17214

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