Architectures de matériaux de van der Waals pour le contrôle avancé des propriétés thermiques // van der Waals materials architectures for advanced tuning of thermal properties

La maîtrise du transport thermique à l'échelle nanométrique constitue un enjeu scientifique et technologique majeur, notamment pour la gestion thermique et la récupération d'énergie dans les dispositifs électroniques miniaturisés. Dans les systèmes micro- et nano-électroniques, l'échauffement limite les performances et la fiabilité, tandis qu'une part importante de l'énergie fournie est dissipée sous forme de chaleur perdue. Les systèmes de basse dimension offrent des perspectives uniques pour contrôler indépendamment transport thermique et transport électrique.
Les matériaux bidimensionnels (2D) de type van der Waals, tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs), constituent une plateforme idéale pour relever ces défis. Leur faible dimensionnalité, leur forte capacité de modulation et la possibilité de les assembler en hétérostructures verticales permettent d'ajuster finement la conductivité thermique, la conductivité électrique et le coefficient Seebeck. Dans ces systèmes, le transport thermique dépend fortement de la géométrie, de l'épaisseur, des interfaces et de la densité de porteurs.
Ce projet de thèse vise à étudier expérimentalement la rectification thermique (TR) et les effets thermoélectriques (TE) dans du graphène géométriquement nanostructuré et dans des hétérostructures verticales 2D. La rectification thermique, effet de type diode où le flux de chaleur dépend du sens du gradient de température, peut émerger d'asymétries géométriques ou d'un transport dominé par les interfaces. La conversion thermoélectrique, quantifiée par le facteur de mérite ZT, nécessite une décorrélation partielle des transports électrique et thermique, objectif accessible dans les systèmes de basse dimension via la nanostructuration et l'ingénierie des interfaces.
Le projet portera sur des architectures de graphène spécialement conçues : réseaux nanoperforés, flocons asymétriques et nanoconstrictions, afin d'analyser l'influence de la géométrie sur la conductivité thermique, le coefficient Seebeck et le transport électrique. En parallèle, des hétérostructures verticales à base de graphène, hBN, WSe₂ et MoS₂ seront réalisées pour explorer le rôle des interfaces dans le transport couplé chaleur–charge. Des dispositifs supportés et suspendus seront comparés, en collaboration avec le laboratoire C2N, afin d'isoler les effets du substrat.
Les dispositifs seront fabriqués par nanofabrication avancée et transfert à sec de couches exfoliées ou synthétisées par CVD. La conductivité thermique sera mesurée par thermoréflectance modulée en collaboration avec le laboratoire INSP, tandis que les propriétés thermoélectriques et la rectification seront caractérisées entre 4 et 750 K sous effet de grille. Le contrôle électrostatique permettra d'ajuster la densité de porteurs de charge et d'étudier l'impact du couplage électron–phonon sur les coefficients thermoélectriques. Des simulations par éléments finis appuieront l'analyse des résultats.
En abordant conjointement rectification thermique et thermoélectricité, ce projet vise à établir des règles de conception pour des dispositifs 2D multifonctionnels combinant gestion de la chaleur et conversion d'énergie à l'échelle nanométrique.
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Controlling heat at the nanoscale is a major scientific and technological challenge, driven by the need for efficient thermal management and energy harvesting in miniaturized electronic devices. In micro- and nano-electronics, excessive heating limits performance and reliability, while a significant fraction of supplied energy is dissipated as waste heat. Low-dimensional systems offer unique opportunities to engineer heat and charge transport beyond bulk limitations.
Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) materials such as graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs) provide an exceptional platform to address these challenges. Their reduced dimensionality, strong tunability, and ability to form vertical heterostructures enable precise control of thermal conductivity, electrical conductivity, and Seebeck coefficient. In these systems, thermal transport strongly depends on geometry, thickness, interfaces, and carrier density, opening the way to advanced device concepts.
This PhD project aims to experimentally investigate thermal rectification (TR) and thermoelectric (TE) effects in geometrically engineered graphene and vertical 2D vdW heterostructures. Thermal rectification, a diode-like effect in which heat flow depends on the direction of the temperature gradient, can emerge from asymmetric geometries and interface-dominated transport. Thermoelectric conversion, governed by the figure of merit ZT, requires partial decoupling of electrical and thermal transport, a condition that can be approached in low-dimensional systems through nanostructuring and interface engineering.
The project will focus on tailored graphene architectures including perforated nanomeshes, asymmetric flakes, and nanoconstrictions, in order to elucidate how geometry affects thermal conductivity, Seebeck coefficient, and electrical transport. In parallel, vertical heterostructures based on graphene, hBN, WSe₂ and MoS₂ will be fabricated to explore interface-controlled heat and charge transport. Supported and suspended devices will be compared, in collaboration with C2N laboratory, to isolate substrate effects.
Devices will be realized using advanced nanofabrication techniques and dry transfer of exfoliated or CVD-grown layers. Thermal conductivity will be measured by modulated thermoreflectance in collaboration with INSP laboratory, while thermoelectric and rectification measurements will be performed from 4 to 750 K under electrostatic gating. Gating will allow systematic tuning of carrier density to probe the impact of electron–phonon coupling on both thermal and thermoelectric coefficients. Finite-element simulations will support the interpretation of experimental data.
By addressing thermal rectification and thermoelectricity within a unified framework, this project seeks to establish design rules for multifunctional 2D-material-based thermal–electrical devices, paving the way toward innovative strategies for nanoscale heat management and energy conversion.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral*

Université Paris Cité

564 Physique en Ile de France

Bonnes connaissances en physique du solide et en physique quantique. Bonnes compétences de travail en salle blanche et en programmation (Matlab/Mathematica/Phyton, Labview).
Good background in solid state physics and quantum physics. Good skills in clean room activity and in programming (Matlab/Mathematica/Phyton, Labview)