Développement et caractérisation d’un démonstrateur de générateur thermoélectrique à base de membranes de silicium couplées à de l’ingénierie phononique

Development and characterization of a thermoelectric harvester demonstrator using phonon engineered silicon membranes

• Auteur / Autrice : Thierno Moussa Bah
• Direction : Emmanuel Dubois, Jean-François Robillard, Thomas Skotnicki, Stéphane Monfray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 03/07/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments finis

MOS complémentaires

Technologie silicium sur isolant

Générateurs thermoélectriques

Thermoélectricité

Phonons

Silicium -- Couches minces

Mots clés libres

Récupération d’énergie

Nano-Fabrication

Ingénierie phononique

Énergie pour capteurs autonomes

Semiconductors

Résumé

L'essor de l'internet des objets (IoT) et des capteurs autonomes et communicants semble être retardé en raison du manque de source d’énergie fiable, sûre et à faible coût. Les récupérateurs d’énergies thermoélectriques présentent ces avantages clés. Le silicium présente les avantages d'être très abondant, moins polluant et de bénéficier d'installations et de procédés technologiques permettant la production en série de récupérateurs d’énergies thermoélectriques à faible coût par rapport aux matériaux conventionnel (alliages de tellure de bismuth). Toutefois, le silicium est un matériau thermoélectrique médiocre en raison de sa conductivité thermique élevée ( ). La possibilité de réduire la conductivité thermique tout en préservant la conductivité électrique et le coefficient Seebeck est la clé pour améliorer le silicium en tant que matériau thermoélectrique efficace. À cette fin, les efforts sont orientés vers la partie phononique du transport de chaleur, qui constitue la contribution dominante dans les semi-conducteurs. Les recherches menées au cours de cette thèse ont porté sur l'intégration des membranes de silicium nanostructurées de réseaux phononiques dans des démonstrateurs de récupérateurs d’énergies thermoélectriques et leur caractérisation au regard de l'état de l’art. Les résultats de ces études ont démontré la faisabilité d’un récupérateur d’énergie thermoélectrique à base de silicium présentant des performances (De quelques µW/cm2 pour ΔT~5-10K à quelques mW/cm2 pour ΔT>100K) suffisantes pour l’alimentation en énergie de nœuds de capteurs autonomes et des performances comparables à celles d’un récupérateur (état de l’art) à base de tellure de bismuth en fonction des conditions de refroidissement de ces derniers. De plus, cette thèse a démontré, outre la récupération d'énergie, la possibilité de développer des refroidisseurs thermoélectriques à base de silicium, ouvrant la voie à une possible intégration de refroidisseurs thermoélectriques dans des dispositifs micro-électroniques à base de silicium.

The lack of reliable, safe and low-cost energy source seems to delay the blooming of the internet of things (IoT) and wireless sensors nodes. Thermoelectric harvesters feature those key advantages. Silicon presents the advantages to be most abundant, less environmental harmful and to benefit from facilities and technological processes for low cost thermoelectric harvesters mass production compared to the conventional materials (bismuth telluride alloys). However, silicon is a poor thermoelectric material due to its high thermal conductivity ( ). The possibility to reduce the thermal conductivity while preserving electrical conductivity and Seebeck coefficient is the key to upgrade silicon as an efficient thermoelectric material. To that end, efforts are oriented towards the phononic part of heat transport, which is the dominant contribution in semiconductors. The researches carried out during this thesis dealt with the integration of phonon engineered silicon membranes into thermoelectric harvester demonstrators and their characterizations with respect to the state of the art. The results demonstrated the feasibility of a silicon based thermoelectric harvester exhibiting performance (from few µW/cm2 for ΔT~5-10K to few mW/cm2 for ΔT>100K) sufficient for autonomous sensor nodes’ power supplying and comparable performance with the bismuth telluride state of the art harvester according to the harvesters’ cooling conditions. Moreover, this thesis demonstrated, in addition to the energy harvesting, the possibility of developing silicon based thermoelectric coolers, opening the way to possible integration of thermoelectric coolers in silicon based micro-electronic devices.