Modélisation et conception d’une nouvelle génération de dispositifs RF à ondes acoustiques à monocouches atomiques piézoélectriques de dichalcogénures de métaux de transition

Abstract

Les dispositifs à ondes acoustiques jouent un rôle clé dans les applications de communication et de détection depuis plusieurs décennies. Ils continueront à avoir un impact majeur sur les nouvelles générations de technologie mobile, le développement des villes intelligentes et les applications de détection pour la surveillance environnementale et les soins de santé, etc.Les résultats des calculs de premiers principes montrent que les coefficients piézoélectriques des dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) de 3R structure cristalline, comme 3R-MoS2, MoSe2, WS2 et WSe2, sont suffisamment grands par rapport à ceux des matériaux piézoélectriques conventionnels comme quartz, ZnO, AlN. Et parmi eux, le 3R-MoS2 a des propriétés piézoélectriques, thermiques et mécaniques remarquables, qui en fait un très bon candidat pour la nouvelle génération des dispositifs acoustiques à ultra-haute fréquence. De plus, considéré comme un matériau en couches atomiques, le 3R-MoS2 est beaucoup plus flexible que tout autre semi-conducteur piézoélectrique connu.Cette thèse s’inscrit dans ce contexte et a comme objectif l’étude de la faisabilité du développement de la nouvelle génération des dispositifs acoustiques à base de matériaux TMDs. Un état de l’art sur les résonateurs acoustiques et leurs applications est d’abord proposé, ainsi que sur les propriétés des matériaux TMDs, Des modèles et des simulations basés sur des équations analytiques, la modélisation par éléments finis et le circuit équivalent Butterworth-Van Dyke (BVD) sont ensuite décrits et utilisés pour concevoir une structure SMR, en étroite collaboration avec NTU Singapour, qui a dirigé la fabrication. Après caractérisation, la fréquence de résonance typique des dispositifs SMR basés sur des flocons 3R-MoS2 de ~200 nm a atteint plus de 25 GHz avec une bonne reproductibilité. Ce travail démontre pour la première fois que l'accès aux nanomatériaux piézoélectriques 2D permet de réaliser des dispositifs piézoélectriques de haute performance pour diverses applications prometteuses.