Thèse soutenue

Forêt de nanofils semiconducteurs pour la thermoélectricité

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Auteur / Autrice : Dhruv Singhal
Direction : Denis ButtardOlivier Bourgeois
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Soutenance le 20/05/2019
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble) - Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
Jury : Président / Présidente : Clivia M. Sotomayor Torres
Examinateurs / Examinatrices : Marisol Martin-Gonzalez, Ilaria Zardo, Stefan Dilhaire, Séverine Gomès
Rapporteurs / Rapporteuses : Marisol Martin-Gonzalez, Ilaria Zardo

Résumé

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La conversion thermoélectrique a suscité un regain d'intérêt en raison des possibilités d'augmenter l'efficacité tout en exploitant les effets de taille. Par exemple, les nanofils montrent théoriquement une augmentation des facteurs de puissance ainsi qu'une réduction du transport des phonons en raison d'effets de confinement et/ou de taille. Dans ce contexte, le diamètre des nanofils devient un paramètre crucial à prendre en compte pour obtenir des rendements thermoélectriques élevés. Une approche habituelle consiste à réduire la conductivité thermique phononique dans les nanofils en améliorant la diffusion sur les surfaces tout en réduisant les diamètres.Dans ce travail, la caractérisation thermique d'une forêt dense de nanofils de silicium, germanium, silicium-germanium et alliage Bi2Te3 est réalisée par une méthode 3-omega très sensible. Ces forêts de nanofils pour le silicium, le germanium et les alliages silicium-germanium ont été fabriqués selon une technique "bottom-up" suivant le mécanisme Vapeur-Liquide-Solide en dépôt chimique en phase vapeur. La croissance assistée par matrice et la croissance par catalyseurs en or des nanofils à diamètres contrôlés ont été réalisés à l'aide d'alumine nanoporeuse comme matrice. Les nanofils sont fabriqués selon la géométrie interne des nanopores, dans ce cas le profil de surface des nanofils peut être modifié en fonction de la géométrie des nanopores. Profitant de ce fait, la croissance à haute densité de nanofils modulés en diamètre a également été démontrée, où l'amplitude et la période de modulation peuvent être facilement contrôlées pendant la fabrication des matrices. Même en modulant les diamètres pendant la croissance, les nanofils ont été structurellement caractérisés comme étant monocristallins par microscopie électronique à transmission et analyse par diffraction des rayons X.La caractérisation thermique de ces nanofils a révélé une forte diminution de la conductivité thermique en fonction du diamètre, dont la réduction était principalement liée à une forte diffusion par les surfaces. La contribution du libre parcours moyen à la conductivité thermique observée dans ces matériaux "bulk" varie beaucoup, Bi2Te3 ayant une distribution en libre parcours moyen (0,1 nm à 15 nm) très faible par rapport aux autres matériaux. Même alors, des conductivités thermiques réduites (~40%) ont été observées dans ces alliages attribuées à la diffusion par les surfaces et par les impuretés. D'autre part, le silicium et le germanium ont une conductivité thermique plus élevée avec une plus grande distribution de libre parcours moyen. Dans ces nanofils, une réduction significative (facteur 10 à 15 ) a été observée avec une forte dépendance avec la taille des nanofils.Alors que les effets de taille réduisent la conductivité thermique par une meilleure diffusion sur les surfaces, le dopage de ces nanofils peut ajouter un mécanisme de diffusion par différence de masse à des échelles de longueur atomique. La dépendance en température de la conductivité thermique a été déterminée pour les nanofils dopés de silicium afin d'observer une réduction de la conductivité thermique à une valeur de 4,6 W.m-1K-1 dans des nanofils de silicium fortement dopés avec un diamètre de 38 nm. En tenant compte de la conductivité électrique et du coefficient Seebeck calculé, on a observé un ZT de 0,5. Avec l'augmentation significative de l'efficacité du silicium en tant que matériau thermoélectrique, une application pratique réelle sur les appareils n'est pas loin de la réalité.