L'isolement du graphène a suscité un grand intérêt vers la recherche d’applications potentielles de ce matériau unique et d'autres matériaux bidimensionnels (2D) pour l'électronique, l'optoélectronique, la spintronique et de nombreux autres domaines. Par rapport au graphène, les dichalcogenides de métaux de transition (TMD) 2D offrent l'avantage d'être des semi-conducteurs, ce qui permettrait de les utiliser pour des circuits logiques. Au cours des dix dernières années, de nombreux développements ont déjà été réalisés dans ce domaine où les opportunités et les défis coexistent. Cette thèse présente les résultats de simulations de transport quantique d’une nouvelle structure de dispositif logique à très faible consommation à base de matériaux bidimensionnels : le transistor à effet tunnel à base d’hétérostructures verticales de TMDs 2D. A cause de leur petite taille, ces dispositifs sont intrinsèquement dominés par des effets quantiques. Par conséquent, l’adoption d’une théorie générale du transport s’impose. Le choix se porte ici sur la méthode des fonctions de Green hors équilibre (NEGF), une approche largement utilisée pour la simulation du transport électronique dans les nanostructures. Dans la première partie de cette thèse, les matériaux 2D, leur synthèse et leurs applications sont brièvement introduits. Ensuite, le formalisme NEGF est illustré. Cette méthode est ensuite utilisée pour la simulation de deux structures de transistor à effet tunnel vertical basées sur l’hétérojonction van der Waals de Mos2 et WTe2. La description du système se base sur un modèle de masse effective calibré avec des résultats ab-initio (afin de reproduire la structure de bandes dans l’intervalle d’énergie intéressé par les simulations de transport) et aux mesures expérimentales de mobilité (pour le couplage électron-phonon). Les résultats non seulement démontrent la possibilité d’obtenir une forte pente sous seuil avec ce type de transistors, mais présentent une étude de la physique qui en détermine les performances en fonction de leur géométrie et de l’interaction entre électrons et phonons. Dans la dernière partie, les effets du malignement rotationnel entre les deux couches 2D sont investigués. Expérimentalement, ce type de désordre est difficile à éviter et peut considérablement affecter les performances du transistor. Par le moyen de simulations quantiques précises et d’analyses physiques, cette thèse montre les défis à relever dans la conception des transistors à effet tunnel à base de matériaux 2D performants. / The successful isolation of graphene in 2004 has attracted great interest to search for potential applications of this unique material and other newborn members of the two-dimensional (2D) family in electronics, optoelectronics, spintronics and other fields. Compared to graphene, the 2D transition metal dichalcogenides (TMDs) have the advantage of being semiconductors, which would allow their use for logic devices. In the past ten years, significant developments have been made in this area, where opportunities and challenges co-exist.This thesis presents the results of quantum transport simulations of novel 2D-material-based tunnel field-effect transistors for ultra-low-power digital applications. Due to their size, such devices are intrinsically dominated by quantum effects. This requires the adoption of a fairly general theory of transport, such as the nonequilibrium Green's functions (NEGF) formalism, which is a method extensively used for the simulation of electron transport in nanostructures.In the first part of this thesis, a brief introduction about the 2D materials, their synthesis and applications is presented. Then, the NEGF formalism is concisely reviewed. This approach is applied to the simulation of two different models of vertical tunnel field-effect transistors based on 2D-TMD van der Waal heterojunctions (MoS2 and WTe2). To properly describe the system, a coupled effective mass Hamiltonian has been implemented and carefully calibrated to experimental measurements and density functional theory to reproduce the band structure in the energy range of interest for the simulations.This thesis not only demonstrates the ultra-steep subthreshold slope potentially expected for these devices, but also provides a physical insight into the impact of the transistor geometry on its performances. In the last and more exploratory part of the manuscript, the effect of rotational misalignment within the two layers of the heterostructure is investigated. Experimentally, such a disorder is difficult to avoid, and it can substantially affect the device performances.Through accurate quantum simulations and deep physical analysis, this study sheds light on the design challenges to be addressed for the development of efficient tunnel field-effect transistors based on 2D materials.

Ces dernières décennies, l'urgence croissante de la crise énergétique et la prise de conscience qu'une grande partie de l'énergie utilisée dans le monde est dissipée sous forme de chaleur ont provoqué un engouement pour le développement de modules thermoélectriques performants. Ces dispositifs pourraient récupérer la chaleur provenant de procédés industriels ou d'autres sources, transformant un gradient de température en voltage grâce à l'effet Seebeck. Les matériaux thermoélectriques performants doivent posséder une faible conductivité thermique, une haute conductivité électrique et un grand coefficient Seebeck. L'optimisation simultanée de ces paramètres est un défi majeur pour la physique de la matière condensée et la science des matériaux. Dans l'optique d'améliorer les propriétés thermoélectriques de plusieurs matériaux prometteurs, nous explorons plusieurs stratégies dans lesquelles les défauts (substitutions atomiques, lacunes…), le désordre et le confinement dimensionnel jouent un rôle central. Nous réalisons des calculs en théorie de la fonctionnelle densité et des projections sur des orbitales de Wannier afin de construire des Hamiltoniens et des matrices dynamiques réalistes décrivant leur structure électronique et vibrationnelle dans l'espace réel. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour calculer les propriétés de transport thermoélectrique en utilisant le formalisme de Kubo, l'équation de Boltzmann, le formalisme de Landauer et la méthode Chebyshev polynomial Green's function, qui permet un traitement exact du désordre. Nous étudions les propriétés de transport électronique et les performances thermoélectriques de deux matériaux prometteurs pour la production d'énergie à hautes températures, le titanate de strontium et l'oxyde de titane rutile. Nous obtenons un très bon accord entre nos prédictions et un grand nombre de données expérimentales. Nous montrons que l'augmentation du coefficient Seebeck observée dans les superlayers de titanate de strontium, jusque-là attribuée à des effets de confinement quantique, est en réalité très bien expliquée par l'hypothèse d'électrons délocalisés. Nous explorons les effets généraux des états résonant sur le transport électronique dans le cadre d'une étude modèle, et nous trouvons une augmentation d'un facteur six des performances thermoélectriques. Nous examinons ensuite le cas particulier du titanate de strontium, et nous montrons que les performances sont détruites par des effets de localisation si des atomes de Vanadium sont introduits comme impuretés résonantes. Nous étudions l'influence des défauts dans les matériaux bidimensionnels. Contrairement aux adatomes, nous montrons que les substitutions dans les dichalcogénures de métaux de transition ont pour effet de localiser les porteurs de charge. Nous étudions l'effet des lacunes sur le transport de phonons dans le graphène, et nous déterminons les taux de diffusion phonon-lacune. Nous obtenons un très bon accord entre notre théorie et des mesures de conductivité thermique dans des échantillons de graphène irradiés et de tailles finies / Over the past decades, the increasingly pressing need for clean energy sources and the realization that a huge proportion of the world energy consumption is wasted in heat have prompted great interest in developing efficient thermoelectric generation modules. These devices could harvest waste heat from industrial processes or other sources, turning a temperature gradient into a voltage through the Seebeck effect. Efficient thermoelectric materials should exhibit a low thermal conductivity, a high electrical conductivity and a high Seebeck coefficient. Simultaneously optimizing these parameters is a great challenge of condensed matter physics and materials science. With a view to enhance the thermoelectric properties of several promising materials, we explore several strategies in which defects (atomic substitutions, vacancies…), disorder and dimensional confinement play a crucial role. We perform density functional theory calculations and projections on Wannier orbitals to construct realistic Hamiltonians and dynamical matrices describing their electronic and vibrational structure in real space. These parameters are then used to compute the thermoelectric transport properties using the Kubo formalism, the Boltzmann transport equation, the Landauer formalism, and the Chebyshev polynomial Green's function method that allows for an exact treatment of disorder. We investigate the electronic transport properties and thermoelectric performances of two promising materials for high-temperature power generation, strontium titanate and rutile titanium dioxide. Comparison of our predictions with a wealth of experimental data yields a very good agreement. We show that the increase of the Seebeck coefficient observed in strontium titanate superlayers, until now attributed to quantum confinement effects, is in fact well explained assuming delocalized electrons. The general effects of resonant states on electronic transport are explored in a model study, showing a sixfold increase of the thermoelectric performances. The particular case of strontium titanate is then examined, and localization effects are shown to destroy the performances if Vanadium atoms are introduced as resonant impurities. The influence of defects in two-dimensional materials is investigated. Contrary to adatoms, substitutions in transition metal dichalcogenides are shown to localize the charge carriers. We study the effect of vacancies on phonon transport in graphene, and determine the phonon-vacancy scattering rate. Comparison with thermal conductivity data for irradiated and finite-size graphene samples yields a very good agreement between theory and experiments

La demande urgente d'innovations dans le domaine du stockage de l'énergie est liée au développement récent de la production d'énergie renouvelable ainsi qu'à la diversification des produits électroniques portables qui consomment de plus en plus d'énergie. Il existe plusieurs technologies pour le stockage et la conversion électrochimique de l'énergie, les plus notables étant les batteries aux ions lithium, les piles à combustible et les supercondensateurs. Ces systèmes sont utilisés de façon complémentaire des uns aux autres dans des applications différentes. Par exemple, les batteries sont plus facilement transportables que les piles à combustible et ont de bonne densité d'énergie alors que les supercondensateurs ont des densités de puissance plus élevés et une meilleure durée de vie. L'objectif principal de ces travaux est d'étudier les performances électrochimiques d'une nouvelle famille de matériaux bidimensionnel appelée MXène, en vue de proposer de nouvelles solutions pour le stockage de l'énergie. Pour y arriver, plusieurs directions ont été explorées. Dans un premier temps, la thèse se concentre sur les supercondensateurs dans des électrolytes aqueux et aux effets des groupes de surface. La seconde partie se concentre sur les systèmes de batterie et de capacités à ions sodium. Une cellule complète comportant une anode en carbone et une cathode de MXène a été développées. La dernière partie de la thèse présente l'étude des MXènes pour les supercondensateur en milieu organique. Une attention particulière est apportée à l'étude du mécanisme d'intercalation des ions entre les feuillets de MXène. Différentes techniques de caractérisations ont été utilisées, en particulier la voltampérométrie cyclique, le cyclage galvanostatique, la spectroscopie d'impédance, la microscopie électronique et la diffraction des rayons X. / An increase in energy and power densities is needed to match the growing energy storage demands linked with the development of renewable energy production and portable electronics. Several energy storage technologies exist including lithium ion batteries, sodium ion batteries, fuel cells and electrochemical capacitors. These systems are complementary to each other. For example, electrochemical capacitors (ECs) can deliver high power densities whereas batteries are used for high energy densities applications. The first objective of this work is to investigate the electrochemical performances of a new family of 2-D material called MXene and propose new solutions to tackle the energy storage concern. To achieve this goal, several directions have been explored. The first part of the research focuses on MXene behavior as electrode material for electrochemical capacitors in aqueous electrolytes. The next part starts with sodium-ion batteries, and a new hybrid system of sodium ion capacitor is proposed. The last part is the study of MXene electrodes for supercapacitors is organic electrolytes. The energy storage mechanisms are thoroughly investigated. Different characterization techniques were used in this work, such as cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, electrochemical impedance spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction.

Cette thèse est consacrée à la production de matériaux 2D en phase liquide, en utilisant des approches pouvant permettre la production en masse de graphène et de matériaux apparentés. Notre objectif est de surmonter certains problèmes critiques pour le traitement et l'utilisation pratique des encres à base de matériaux 2D et de fournir une compréhension approfondie de la relation structure-propriétés dans ces matériaux, constituant des étapes obligatoires pour leurs applications futures. Cette thèse porte principalement sur l'UILPE et l'exfoliation électrochimique du graphène et du disulfure de molybdène (MoS2), qui ont été choisis comme matériaux prototypes à 2 dimensions. Les approches synthétiques sont combinées à une caractérisation physico-chimique des matériaux produits, à l'aide de techniques telles que l'AFM, la microscopie électronique, la spectroscopie XPS et Raman, ainsi qu'à une caractérisation électrique. Des applications dans le domaine de la détection et de l'électronique ont été explorées et ont permis de démontrer que des approches d'exfoliation en phase liquide pouvaient être utilisées pour obtenir un contrôle précis des propriétés des matériaux 2D ouvrant la voie à leur intégration en tant que matériaux actifs dans de nouveaux dispositifs multifonctionnels. / This thesis is devoted to the production in liquid-phase of two-dimensional materials, by using approaches that may enable mass production of graphene and related materials. We aim to overcome some issues that are critical for the processing and practical use of 2D materials-inks and to provide a deep understanding of the structure-properties relationship in such materials being mandatory steps toward their future applications. This thesis mainly focuses on ultrasound-induced liquid-phase exfoliation and electrochemical exfoliation of graphene and molybdenum disulfide, which have been chosen as prototypical 2D materials. The synthetic approaches have been combined with a multiscale physico-chemical and electrical characterization of the produced materials, by employing techniques such as AFM, XPS and Raman spectroscopy. Applications in the field of sensing and electronics have been explored and allowed to demonstrate that liquid-phase exfoliation approaches can be conveniently employed to achieve a fine control on the properties of 2D materials paving the way to their integration as active materials in novel multifunctional devices.

Dans ce travail de thèse, nous illustrons la pertinence de la technique de photoémission pour l'étude des propriétés électroniques des matériaux. Dans la première partie, nous détaillons le développement et la phase de tests d'un nouveau bâti expérimental composé d'une chambre d'épitaxie par jets moléculaires (MBE) ainsi que d'une chambre de photoémission résolue en angle et en spin (SR-ARPES), connecté au tube Daum à l'Institut Jean Lamour. Les hautes performances de ce nouveau dispositif sont d'une part évaluées par une série de mesures expérimentales sur un système connu de la littérature (état de Shockley à la surface de l'Au(111)), et d'autre part illustrées par l'analyse de matériaux originaux (isolants topologiques, effet Kondo moléculaire …). Les valeurs de résolution en énergie sont inférieures à 2 meV et 300 meV pour la photoémission utilisant les rayonnements UV (UPS) et X (XPS) respectivement. La résolution angulaire est quant à elle meilleure que 0,2° et la température minimale atteignable est de 8,7 K. Finalement, des premières mesures de SR-ARPES ont démontré la capacité de ce nouveau bâti à mesurer les détails les plus fins de la structure de bandes polarisée en spin, se rapprochant ainsi de l'état de l'art dans le domaine. Ce nouveau dispositif est donc pleinement opérationnel. La seconde partie est consacrée à l'étude d'un oxyde de silicium ultra-mince bidimensionnel (2D) à la surface d'un substrat monocristallin de Ru(0001). Nous étudions tous les stades de croissance en partant du substrat nu de Ru(0001) jusqu'à une bicouche cristalline de cet oxyde, par XPS haute résolution (rayonnement synchrotron) et photoémission résolue en angle (ARPES). Nous confirmons la structure atomique établie dans la littérature pour ce système à la monocouche, avec en particulier l'existence de deux types de liaisons inéquivalentes Si-O-Ru révélées par des mesures inédites d’XPS haute résolution au niveau de la raie de cœur de l'O1s. En outre, nos mesures ARPES mettent en évidence l'existence d'états dispersifs bidimensionnels propres à ce matériau 2D. Alors que la monocouche est fortement connectée au substrat de ruthénium (liaisons covalentes), la bicouche en est déconnectée (liaisons de van der Waals). Notre étude confirme l'existence d’une telle transition avec des signatures claires à la fois en XPS et en ARPES, démontrant notamment la disparition des liaisons Si-O-Ru. Nous démontrons également la robustesse de ce système, qui une fois cristallisé peut être remis à l'air sans modifications majeures de ses propriétés électroniques, lui donnant ainsi un fort potentiel de fonctionnalisation (par exemple au sein d'hétérostructures 2D complexes comme couche isolante). Finalement, dans une troisième partie nous nous intéressons aux aspects théoriques de la photoémission résolue en angle. Alors que la structure de bandes est périodique dans l'espace réciproque, ce n'est pas le cas de l'intensité de photoémission, qui peut présenter des variations complexes dépendant de nombreux paramètres. Ces aspects sont généralement mal compris par les expérimentateurs. Nous présentons ici un modèle simple récemment proposé qui s'inscrit dans une description en trois étapes du processus de photoémission, et qui permet d'évaluer les éléments de matrice à un électron. Ces éléments de matrice représentent l'ingrédient essentiel permettant de comprendre la répartition du poids spectral en photoémission. Nous démontrons que dans ce modèle ils sont proportionnels à la transformée de Fourier de l'état de Wannier du système considéré, ainsi qu'à un terme de polarisation contenant les effets géométriques inhérents à toute expérience de photoémission. Nous appliquons alors cette approche à des systèmes physiques comme le graphène, ou encore au cas de mesures de dichroïsme circulaire réalisées au niveau des états d et de l'état de Shockley d'un monocristal de Cu(111), mettant ainsi en évidence ses succès et ses limitations / In this work, we highlight the relevance of photoemission spectroscopy for investigating the electronic properties of materials. In the first part, we tackle the development and the test phase of a new experimental setup which is composed of a molecular beam epitaxy (MBE) and a spin and angle resolved photoemission (SR-ARPES) chambers, connected to the tube at the Institut Jean Lamour. The high performances of this new setup are evaluated. On one hand by measuring well known system from the litterature (Shockley state at the Au(111) surface) and on the other hand by studying materials with novel properties (topological insulators, molecular Kondo effect …). Energy resolution is better than 2 meV for UV photoemission (UPS) and 300 meV for X-ray photoemission (XPS). We also have an angular resolution better than 0.2° and a lowest sample temperature of 8.7 K. Finally, first SR-ARPES measurements demonstrate the ability of this new installation to measure finest details of the spin polarized band structure. In short, this new setup is fully operationnal. The second part is dedicated to the study of a two dimensionnal (2D) ultra thin silicon oxide at the surface of a cristalline Ru(0001) substrate. Both growth and electronic properties are studied by high resolution XPS and ARPES. We confirm the structural model accepted for the system in the litterature for the monolayer case. In particular we confirm the existence of two inequivalent Si-O-Ru bonds with unprecedented high resolution XPS measurements on the O1s core level. In addition, our ARPES measurements highlight new dispersives states with 2D character which are unambiguously attributed to this oxide. While the monolayer is strongly connected to the ruthenium substrate (covalent bonds), the bilayer is disconnected from this latter one (van der Waals). Our work confirms the existence of such a transition with unambiguous signatures both in XPS and ARPES, in particular with the breaking of Si-O-Ru bonds. We also demonstrate the robustness of this system which, after being cristallised, can go to atmosphere without fundamental modification of his electronic properties. That gives a lot of potential applications to this 2D cristalline oxide, which could play in the futur the role of a wide band gap insulator in 2D heterostructures. In the last part, we focus on the theoretical aspects of photoemission. While band structure is periodic in the reciprocal space, it is not the case of photoemission intensity which can depend on a lot of parameters. We are motivated by the fact that these considerations are generally not well understood by experimentalists. Here, we present a simple model recently proposed in the three step approach of the photoemission process. With this model we can evaluate the one-electron matrix elements which play a key role to understand the variations of spectral weight in photoemission. In this approach, one-electron matrix elements are proportionnal to both Fourier transform of the Wannier state of the system and to a polarization term. We apply this model to « real » systems, in particular to graphene and to circular dichroism measurements on Cu(111) sample, highlighting sucess and limitations of this model