Novel electronic devices using ionic liquid-gated 2D nanomaterials

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les interfaces entre des liquides ioniques (LI) et des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D), notamment le disulfure de molybdène (MoS2), en vue de la conception de dispositifs électroniques innovants basés sur un effet de champ à grille électrolytique. En utilisant la microscopie à force atomique (AFM) en milieu liquide sous potentiel appliqué ainsi que la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), l’organisation des ions dans les couches interfaciales est caractérisée pour comprendre comment la nature et la structure moléculaire des ions permettent de moduler les effets de champ. Les LI sont des sels liquides à température ambiante, conducteurs et non inflammables (ils ont une pression de vapeur négligeable) offrant de larges fenêtres électrochimiques et une grande stabilité thermique, donc ils ont des propriétés très intéressantes en tant qu’électrolytes, notamment dans une nouvelle classe de transistors à effet de champ. En effet, ces dernières années des transistors à effet de champ ont été développés avec les LI comme grille et les matériaux semi-conducteurs 2D comme substrats. Il a été montré qu’à l’interface du semi-conducteur, les ions du LI s’accumulent de façon dense et forment une double couche électrique (EDL) d’épaisseur très fine offrant une capacité importante. Dans ces dispositifs, la densité de porteurs de charge et la vitesse de commutation sont directement liées à la structure et à la dynamique de cette EDL. Il est donc nécessaire de comprendre l’organisation de l’interface entre le LI et le semi-conducteur à 2D afin de comprendre son effet sur les propriétés du transistor. Ceci permettra à terme de guider le choix du LI qui assurera une performance optimale. Dans cette thèse, nous étudions l’EDL formée par deux LI : le 1-éthyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) et le 1-octyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C8mim] + [DCA] -) à l’interface du MoS2. Pour ce faire, nous utilisons deux techniques expérimentales de caractérisation, l’AFM et l’XPS. D’abord, nous commençons par étudier par AFM l’organisation des ions de ces LI sur des substrats de référence : le mica et le silicium. Sur ces substrats, nous montrons que la structure de l’EDL dépend de la longueur de chaîne des cations utilisés. De plus, nous montrons que l’arrangement et l’orientation des ions dans l’EDL sont liés à la chimie de surface et à la présence de l’eau dans le système. Ensuite, nous nous concentrons sur l’interface [C8mim]+[DCA]-/MoS2. Les mesures d’AFM révèlent un arrangement de couches fines formées par des cations et des anions avec une orientation parallèle à la surface. Les mesures d’XPS montrent de fortes interactions entre les ions du LI et les plans du MoS2, mettant en place un transfert de charge du MoS2 vers le LI. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) sont en bon accord avec nos résultats d’AFM. Les mesures d’XPS, quant à elles, sont confortées par des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) fournis par des collaborateurs. Enfin, nous étudions le réarrangement des ions sous application de potentiel afin de nous approcher de la configuration réelle des transistors. Ce travail fournit une voie vers une meilleure compréhension des propriétés de l’EDL à l’interface liquide-solide qui constitue une brique essentielle pour le développement de dispositifs électroniques innovants combinant LI et semi-conducteur à 2D.The purpose of this thesis is to study the interfaces between ionic liquids (IL) and two-dimensional (2D) semiconductor materials, in particular molybdenum disulfide (MoS2), with a view of designing novel electronic devices using ionic liquids-gated 2D materials. Using atomic force microscopy (AFM) in a liquid medium under applied potential as well as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the organization of ions in the interfacial layers is characterized to understand how the nature and the molecular structure of ions allow modulating field effects. IL are liquid salts at room temperature, conductive and non-flammable (they have a negligible vapor pressure) offering wide electrochemical windows and high thermal stability. Hence, they have very interesting properties as electrolytes, especially for field effect transistors. In recent years, field effect transistors have been developed with IL as gate and 2D semiconductor materials as substrates. It has been shown that at the interface of the semiconductor, the ions of the IL accumulate densely and form a very thin electrical double layer (EDL) offering a significant capacitance. In these devices, charge carrier density and switching speed are directly related to the structure and dynamics of this EDL. It is therefore necessary to understand the organization of the interface between the IL and the 2D semiconductor in order to understand its effect on the properties of the transistor. This will ultimately guide the choice of the IL that will ensure optimal performance.In this thesis, we study the EDL formed by two IL: 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) and 1-octyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C8mim]+[DCA]-) at the MoS2 interface. To do this, we use two experimental characterization techniques, AFM and XPS. First, we start by studying by AFM the organization of the ions of these LI on reference substrates: mica and silicon. On these substrates, we show that the structure of EDL depends on the chain length of the cations used. Furthermore, we show that the arrangement and orientation of ions in the EDL are related to the surface chemistry and the presence of water in the system. Next, we focus on the [C8mim]+[DCA]-/MoS2 interface. AFM measurements reveal an arrangement of thin layers formed by cations and anions with an orientation parallel to the surface. XPS measurements show strong interactions between the ions and the MoS2, setting up a charge transfer from the MoS2 to the IL. Molecular dynamics (MD) simulations are in good agreement with our AFM results. The XPS measurements are supported by density functional theory (DFT) calculations provided by collaborators. Finally, we study the rearrangement of the ions under potential in order to approach the real configuration of the transistors. This work provides a path towards a better understanding of the properties of EDL at the liquid-solid interface which constitutes an essential building block for the development of novel electronic devices combining IL and 2D semiconductor

Dispositifs électroniques innovants à base de matériaux 2D et grilles en liquides ioniques

The purpose of this thesis is to study the interfaces between ionic liquids (IL) and two-dimensional (2D) semiconductor materials, in particular molybdenum disulfide (MoS2), with a view of designing novel electronic devices using ionic liquids-gated 2D materials. Using atomic force microscopy (AFM) in a liquid medium under applied potential as well as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the organization of ions in the interfacial layers is characterized to understand how the nature and the molecular structure of ions allow modulating field effects. IL are liquid salts at room temperature, conductive and non-flammable (they have a negligible vapor pressure) offering wide electrochemical windows and high thermal stability. Hence, they have very interesting properties as electrolytes, especially for field effect transistors. In recent years, field effect transistors have been developed with IL as gate and 2D semiconductor materials as substrates. It has been shown that at the interface of the semiconductor, the ions of the IL accumulate densely and form a very thin electrical double layer (EDL) offering a significant capacitance. In these devices, charge carrier density and switching speed are directly related to the structure and dynamics of this EDL. It is therefore necessary to understand the organization of the interface between the IL and the 2D semiconductor in order to understand its effect on the properties of the transistor. This will ultimately guide the choice of the IL that will ensure optimal performance.In this thesis, we study the EDL formed by two IL: 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) and 1-octyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C8mim]+[DCA]-) at the MoS2 interface. To do this, we use two experimental characterization techniques, AFM and XPS. First, we start by studying by AFM the organization of the ions of these LI on reference substrates: mica and silicon. On these substrates, we show that the structure of EDL depends on the chain length of the cations used. Furthermore, we show that the arrangement and orientation of ions in the EDL are related to the surface chemistry and the presence of water in the system. Next, we focus on the [C8mim]+[DCA]-/MoS2 interface. AFM measurements reveal an arrangement of thin layers formed by cations and anions with an orientation parallel to the surface. XPS measurements show strong interactions between the ions and the MoS2, setting up a charge transfer from the MoS2 to the IL. Molecular dynamics (MD) simulations are in good agreement with our AFM results. The XPS measurements are supported by density functional theory (DFT) calculations provided by collaborators. Finally, we study the rearrangement of the ions under potential in order to approach the real configuration of the transistors. This work provides a path towards a better understanding of the properties of EDL at the liquid-solid interface which constitutes an essential building block for the development of novel electronic devices combining IL and 2D semiconductor.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les interfaces entre des liquides ioniques (LI) et des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D), notamment le disulfure de molybdène (MoS2), en vue de la conception de dispositifs électroniques innovants basés sur un effet de champ à grille électrolytique. En utilisant la microscopie à force atomique (AFM) en milieu liquide sous potentiel appliqué ainsi que la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), l’organisation des ions dans les couches interfaciales est caractérisée pour comprendre comment la nature et la structure moléculaire des ions permettent de moduler les effets de champ. Les LI sont des sels liquides à température ambiante, conducteurs et non inflammables (ils ont une pression de vapeur négligeable) offrant de larges fenêtres électrochimiques et une grande stabilité thermique, donc ils ont des propriétés très intéressantes en tant qu’électrolytes, notamment dans une nouvelle classe de transistors à effet de champ. En effet, ces dernières années des transistors à effet de champ ont été développés avec les LI comme grille et les matériaux semi-conducteurs 2D comme substrats. Il a été montré qu’à l’interface du semi-conducteur, les ions du LI s’accumulent de façon dense et forment une double couche électrique (EDL) d’épaisseur très fine offrant une capacité importante. Dans ces dispositifs, la densité de porteurs de charge et la vitesse de commutation sont directement liées à la structure et à la dynamique de cette EDL. Il est donc nécessaire de comprendre l’organisation de l’interface entre le LI et le semi-conducteur à 2D afin de comprendre son effet sur les propriétés du transistor. Ceci permettra à terme de guider le choix du LI qui assurera une performance optimale. Dans cette thèse, nous étudions l’EDL formée par deux LI : le 1-éthyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) et le 1-octyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C8mim] + [DCA] -) à l’interface du MoS2. Pour ce faire, nous utilisons deux techniques expérimentales de caractérisation, l’AFM et l’XPS. D’abord, nous commençons par étudier par AFM l’organisation des ions de ces LI sur des substrats de référence : le mica et le silicium. Sur ces substrats, nous montrons que la structure de l’EDL dépend de la longueur de chaîne des cations utilisés. De plus, nous montrons que l’arrangement et l’orientation des ions dans l’EDL sont liés à la chimie de surface et à la présence de l’eau dans le système. Ensuite, nous nous concentrons sur l’interface [C8mim]+[DCA]-/MoS2. Les mesures d’AFM révèlent un arrangement de couches fines formées par des cations et des anions avec une orientation parallèle à la surface. Les mesures d’XPS montrent de fortes interactions entre les ions du LI et les plans du MoS2, mettant en place un transfert de charge du MoS2 vers le LI. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) sont en bon accord avec nos résultats d’AFM. Les mesures d’XPS, quant à elles, sont confortées par des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) fournis par des collaborateurs. Enfin, nous étudions le réarrangement des ions sous application de potentiel afin de nous approcher de la configuration réelle des transistors. Ce travail fournit une voie vers une meilleure compréhension des propriétés de l’EDL à l’interface liquide-solide qui constitue une brique essentielle pour le développement de dispositifs électroniques innovants combinant LI et semi-conducteur à 2D

Dispositifs électroniques innovants à base de matériaux 2D et grilles en liquides ioniques

The purpose of this thesis is to study the interfaces between ionic liquids (IL) and two-dimensional (2D) semiconductor materials, in particular molybdenum disulfide (MoS2), with a view of designing novel electronic devices using ionic liquids-gated 2D materials. Using atomic force microscopy (AFM) in a liquid medium under applied potential as well as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the organization of ions in the interfacial layers is characterized to understand how the nature and the molecular structure of ions allow modulating field effects. IL are liquid salts at room temperature, conductive and non-flammable (they have a negligible vapor pressure) offering wide electrochemical windows and high thermal stability. Hence, they have very interesting properties as electrolytes, especially for field effect transistors. In recent years, field effect transistors have been developed with IL as gate and 2D semiconductor materials as substrates. It has been shown that at the interface of the semiconductor, the ions of the IL accumulate densely and form a very thin electrical double layer (EDL) offering a significant capacitance. In these devices, charge carrier density and switching speed are directly related to the structure and dynamics of this EDL. It is therefore necessary to understand the organization of the interface between the IL and the 2D semiconductor in order to understand its effect on the properties of the transistor. This will ultimately guide the choice of the IL that will ensure optimal performance.In this thesis, we study the EDL formed by two IL: 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) and 1-octyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C8mim]+[DCA]-) at the MoS2 interface. To do this, we use two experimental characterization techniques, AFM and XPS. First, we start by studying by AFM the organization of the ions of these LI on reference substrates: mica and silicon. On these substrates, we show that the structure of EDL depends on the chain length of the cations used. Furthermore, we show that the arrangement and orientation of ions in the EDL are related to the surface chemistry and the presence of water in the system. Next, we focus on the [C8mim]+[DCA]-/MoS2 interface. AFM measurements reveal an arrangement of thin layers formed by cations and anions with an orientation parallel to the surface. XPS measurements show strong interactions between the ions and the MoS2, setting up a charge transfer from the MoS2 to the IL. Molecular dynamics (MD) simulations are in good agreement with our AFM results. The XPS measurements are supported by density functional theory (DFT) calculations provided by collaborators. Finally, we study the rearrangement of the ions under potential in order to approach the real configuration of the transistors. This work provides a path towards a better understanding of the properties of EDL at the liquid-solid interface which constitutes an essential building block for the development of novel electronic devices combining IL and 2D semiconductor.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les interfaces entre des liquides ioniques (LI) et des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D), notamment le disulfure de molybdène (MoS2), en vue de la conception de dispositifs électroniques innovants basés sur un effet de champ à grille électrolytique. En utilisant la microscopie à force atomique (AFM) en milieu liquide sous potentiel appliqué ainsi que la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), l’organisation des ions dans les couches interfaciales est caractérisée pour comprendre comment la nature et la structure moléculaire des ions permettent de moduler les effets de champ. Les LI sont des sels liquides à température ambiante, conducteurs et non inflammables (ils ont une pression de vapeur négligeable) offrant de larges fenêtres électrochimiques et une grande stabilité thermique, donc ils ont des propriétés très intéressantes en tant qu’électrolytes, notamment dans une nouvelle classe de transistors à effet de champ. En effet, ces dernières années des transistors à effet de champ ont été développés avec les LI comme grille et les matériaux semi-conducteurs 2D comme substrats. Il a été montré qu’à l’interface du semi-conducteur, les ions du LI s’accumulent de façon dense et forment une double couche électrique (EDL) d’épaisseur très fine offrant une capacité importante. Dans ces dispositifs, la densité de porteurs de charge et la vitesse de commutation sont directement liées à la structure et à la dynamique de cette EDL. Il est donc nécessaire de comprendre l’organisation de l’interface entre le LI et le semi-conducteur à 2D afin de comprendre son effet sur les propriétés du transistor. Ceci permettra à terme de guider le choix du LI qui assurera une performance optimale. Dans cette thèse, nous étudions l’EDL formée par deux LI : le 1-éthyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) et le 1-octyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C8mim] + [DCA] -) à l’interface du MoS2. Pour ce faire, nous utilisons deux techniques expérimentales de caractérisation, l’AFM et l’XPS. D’abord, nous commençons par étudier par AFM l’organisation des ions de ces LI sur des substrats de référence : le mica et le silicium. Sur ces substrats, nous montrons que la structure de l’EDL dépend de la longueur de chaîne des cations utilisés. De plus, nous montrons que l’arrangement et l’orientation des ions dans l’EDL sont liés à la chimie de surface et à la présence de l’eau dans le système. Ensuite, nous nous concentrons sur l’interface [C8mim]+[DCA]-/MoS2. Les mesures d’AFM révèlent un arrangement de couches fines formées par des cations et des anions avec une orientation parallèle à la surface. Les mesures d’XPS montrent de fortes interactions entre les ions du LI et les plans du MoS2, mettant en place un transfert de charge du MoS2 vers le LI. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) sont en bon accord avec nos résultats d’AFM. Les mesures d’XPS, quant à elles, sont confortées par des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) fournis par des collaborateurs. Enfin, nous étudions le réarrangement des ions sous application de potentiel afin de nous approcher de la configuration réelle des transistors. Ce travail fournit une voie vers une meilleure compréhension des propriétés de l’EDL à l’interface liquide-solide qui constitue une brique essentielle pour le développement de dispositifs électroniques innovants combinant LI et semi-conducteur à 2D

Dispositifs électroniques innovants à base de matériaux 2D et grilles en liquides ioniques

The purpose of this thesis is to study the interfaces between ionic liquids (IL) and two-dimensional (2D) semiconductor materials, in particular molybdenum disulfide (MoS2), with a view of designing novel electronic devices using ionic liquids-gated 2D materials. Using atomic force microscopy (AFM) in a liquid medium under applied potential as well as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the organization of ions in the interfacial layers is characterized to understand how the nature and the molecular structure of ions allow modulating field effects. IL are liquid salts at room temperature, conductive and non-flammable (they have a negligible vapor pressure) offering wide electrochemical windows and high thermal stability. Hence, they have very interesting properties as electrolytes, especially for field effect transistors. In recent years, field effect transistors have been developed with IL as gate and 2D semiconductor materials as substrates. It has been shown that at the interface of the semiconductor, the ions of the IL accumulate densely and form a very thin electrical double layer (EDL) offering a significant capacitance. In these devices, charge carrier density and switching speed are directly related to the structure and dynamics of this EDL. It is therefore necessary to understand the organization of the interface between the IL and the 2D semiconductor in order to understand its effect on the properties of the transistor. This will ultimately guide the choice of the IL that will ensure optimal performance.In this thesis, we study the EDL formed by two IL: 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) and 1-octyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([C8mim]+[DCA]-) at the MoS2 interface. To do this, we use two experimental characterization techniques, AFM and XPS. First, we start by studying by AFM the organization of the ions of these LI on reference substrates: mica and silicon. On these substrates, we show that the structure of EDL depends on the chain length of the cations used. Furthermore, we show that the arrangement and orientation of ions in the EDL are related to the surface chemistry and the presence of water in the system. Next, we focus on the [C8mim]+[DCA]-/MoS2 interface. AFM measurements reveal an arrangement of thin layers formed by cations and anions with an orientation parallel to the surface. XPS measurements show strong interactions between the ions and the MoS2, setting up a charge transfer from the MoS2 to the IL. Molecular dynamics (MD) simulations are in good agreement with our AFM results. The XPS measurements are supported by density functional theory (DFT) calculations provided by collaborators. Finally, we study the rearrangement of the ions under potential in order to approach the real configuration of the transistors. This work provides a path towards a better understanding of the properties of EDL at the liquid-solid interface which constitutes an essential building block for the development of novel electronic devices combining IL and 2D semiconductor.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les interfaces entre des liquides ioniques (LI) et des matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D), notamment le disulfure de molybdène (MoS2), en vue de la conception de dispositifs électroniques innovants basés sur un effet de champ à grille électrolytique. En utilisant la microscopie à force atomique (AFM) en milieu liquide sous potentiel appliqué ainsi que la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), l’organisation des ions dans les couches interfaciales est caractérisée pour comprendre comment la nature et la structure moléculaire des ions permettent de moduler les effets de champ. Les LI sont des sels liquides à température ambiante, conducteurs et non inflammables (ils ont une pression de vapeur négligeable) offrant de larges fenêtres électrochimiques et une grande stabilité thermique, donc ils ont des propriétés très intéressantes en tant qu’électrolytes, notamment dans une nouvelle classe de transistors à effet de champ. En effet, ces dernières années des transistors à effet de champ ont été développés avec les LI comme grille et les matériaux semi-conducteurs 2D comme substrats. Il a été montré qu’à l’interface du semi-conducteur, les ions du LI s’accumulent de façon dense et forment une double couche électrique (EDL) d’épaisseur très fine offrant une capacité importante. Dans ces dispositifs, la densité de porteurs de charge et la vitesse de commutation sont directement liées à la structure et à la dynamique de cette EDL. Il est donc nécessaire de comprendre l’organisation de l’interface entre le LI et le semi-conducteur à 2D afin de comprendre son effet sur les propriétés du transistor. Ceci permettra à terme de guider le choix du LI qui assurera une performance optimale. Dans cette thèse, nous étudions l’EDL formée par deux LI : le 1-éthyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C2mim]+[DCA]-) et le 1-octyl-3-méthylimidazolium dicyanamide ([C8mim] + [DCA] -) à l’interface du MoS2. Pour ce faire, nous utilisons deux techniques expérimentales de caractérisation, l’AFM et l’XPS. D’abord, nous commençons par étudier par AFM l’organisation des ions de ces LI sur des substrats de référence : le mica et le silicium. Sur ces substrats, nous montrons que la structure de l’EDL dépend de la longueur de chaîne des cations utilisés. De plus, nous montrons que l’arrangement et l’orientation des ions dans l’EDL sont liés à la chimie de surface et à la présence de l’eau dans le système. Ensuite, nous nous concentrons sur l’interface [C8mim]+[DCA]-/MoS2. Les mesures d’AFM révèlent un arrangement de couches fines formées par des cations et des anions avec une orientation parallèle à la surface. Les mesures d’XPS montrent de fortes interactions entre les ions du LI et les plans du MoS2, mettant en place un transfert de charge du MoS2 vers le LI. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) sont en bon accord avec nos résultats d’AFM. Les mesures d’XPS, quant à elles, sont confortées par des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) fournis par des collaborateurs. Enfin, nous étudions le réarrangement des ions sous application de potentiel afin de nous approcher de la configuration réelle des transistors. Ce travail fournit une voie vers une meilleure compréhension des propriétés de l’EDL à l’interface liquide-solide qui constitue une brique essentielle pour le développement de dispositifs électroniques innovants combinant LI et semi-conducteur à 2D

Effect of surface chemistry on the electrical double layer in a long-chain ionic liquid

International audienceRoom temperature ionic liquids (ILs) can create a strong accumulation of charges at solid interfaces by forming a very thin and dense electrical double layer (EDL). The structure of this EDL has important consequences in numerous applications involving ILs, for example in supercapacitors, sensors and lubricants, by impacting the interfacial capacitance, the charge carrier density of semiconductors , as well as the frictional properties of the interfaces. We have studied the interfacial structure of a long chain imidazolium-based IL (1-octyl-3-methylimidazolium dicyanamide) on several substrates: mica, silica, silicon and molybdenum disulfide (MoS 2), using atomic force microscopy (AFM) experiments and molecular dynamics (MD) simulations. We have observed 3 types of interfacial structures for the same IL, depending on the chemistry of the substrate and the water content, showing that the EDL structure is not an intrinsic property of the IL. We evidenced that at a low water content, neutral and apolar (thus hydrophobic) substrates promote a thin layer structure, where the ions are oriented parallel to the substrate and cations and anions are mixed in each layer. In contrast, a strongly charged (thus hydrophilic) substrate yield an extended structuration into several bilayers, while a heterogeneous layering with loose bilayer regions was observed on an intermediate polar and weakly charged substrate and on an apolar one at a high bulk water content. In the latter case, water contamination favors the formation of bilayer patches by promoting the segregation of the long chain IL into polar and apolar domains

Ionic liquids at interfaces with 2D and porous materials

International audienc