Electrons and phonons in graphene : electron-phonon coupling, screening and transport in the field effect setup
Electrons et phonons dans le graphène : couplage électron-phonon, écrantage et transport dans une configuration type transistor à effet de champ
Résumé
Understanding the transport properties of two-dimensional crystals doped by field effect is a conceptual milestone for tomorrow's nanoelectronics. In this thesis we develop first-principles methods to investigate electron-phonon interactions, screening and phonon-limited transport in graphene. To overcome the limitations of existing plane-wave ab initio packages, originally devised for three-dimensional periodic solids, we truncate the Coulomb interaction in the third direction and isolate the 2D system from its periodic images. This is implemented in density-functional perturbation theory to calculate charge density responses and phonon spectra in a two-dimensional framework. We use those methods to develop a quantitative model of electron-phonon coupling for graphene in the field effect transistor configuration. We find that the coupling of electrons to acoustic phonons is dominated by the unscreened gauge field, which we compute with full inclusion of electron-electron interactions at the GW level. Our simulations of the static screening properties of graphene validate analytical models and reveal that the deformation potential is strongly screened, such that its contribution to acoustic phonon scattering is negligible. We find a small but finite linear coupling with out-of-plane phonons. By solving the Boltzmann transport equation we obtain the phonon-limited resistivity. Below room temperature, our results confirm the role of acoustic phonons and a 15% increase of the ab initio gauge field parameter leads to an excellent quantitative agreement with experiment. Above room-temperature, we point to the importance of the coupling with intrinsic optical phonons.
Comprendre le transport électronique dans les cristaux bidimensionnels est un enjeu conceptuel majeur pour la nanoélectornique de demain. Dans cette thèse, on dévelloppe des méthodes ab initio pour étudier l'interaction électron-phonon, l'écrantage et le transport dans le graphène. Pour surpasser les limites des méthodes ab initio en ondes planes, à l'origine destinées aux matériaux périodiques en trois dimensions, on tronque l'interaction coulombienne dans la troisième dimension, isolant ainsi le système bidimensionnel de ses images périodiques. Ceci est réalisé au sein de la théorie de la fonctionnelle de la densité en perturbation, afin de calculer la réponse de la densité de charge et le spectre des phonons dans un cadre bidimensionnel. On utilise ces méthodes pour obtenir un modèle quantitatif du couplage électron-phonon dans le graphène pour une configuration de type transistor à effet de champ. Le couplage aux phonons acoustiques est dominé par le champ de jauge non-écranté, que nous calculons en incluant l'effet des interactions électron-électron au niveau GW. Nos simulations des propriétés d'écrantage statiques du graphene valident les modèles analytiques et montrent que le potentiel de déformation est fortement écranté, de sorte que sa contribution à la diffusion des électrons par les phonons acoustiques est négligeable. On montre également que le couplage avec les phonons hors-plan est faible mais fini. On obtient la contribution de la diffusion par les phonons à la résistivité en résolvant l'équation de Boltzmann pour le transport. En dessous de la température ambiante, nos résultats confirment le rôle des phonons acoustiques et une augmentation de 15% du paramètre de jauge it ab initio permet un excellent accord avec l'expérience. Au dessus de la température ambiante, on dénote l'importance des phonons optiques intrinsèques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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