Convertisseurs thermoïoniques à gap micrométrique : matériaux, conception et fabrication d'un démonstrateur

Micro-gap thermionic converters : materials, design and fabrication of a demonstrator

• Auteur / Autrice : Tianqi Zhu
• Direction : Emmanuel Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nano Technologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

MOS complémentaires

Effet thermoïonique

Thermoélectricité

Énergie -- Conversion directe

Mots clés libres

Convertisseur thermoélectronique à vide micrométrique

Oxyde de césium

Oxyde de Potassium

Sonde de Kelvin

Résumé

La conversion thermoélectrique à l’état solide, qui produit de l’électricité de manière directe, silencieuse, sans vibrations ni entretien, revêt le plus grand intérêt pour la récupération d’énergie. L'énergie thermique est une source abondante et bien distribuée, ce qui fait de la thermoélectricité une bonne solution pour répondre à la demande croissante en énergie. En particulier, elle est envisagée comme une solution pour l’alimentation de faible puissance des appareils électroniques autonomes, ce que l’on appelle aussi l’internet des objets. Les générateurs thermoélectriques conventionnels (TEG), basés sur l'effet Seebeck, génèrent de l'énergie électrique grâce à des matériaux à l'état solide soumis à un gradient de température. Le mécanisme de ce moteur thermique engendre un énorme flux thermique, ce qui explique leur faible rendement inhérent. De nature radicalement différente, la structure du convertisseur thermoélectronique à vide micrométrique (MTC) basée sur l’émission thermoélectronique élimine pratiquement les pertes thermiques tout en conservant toutes les caractéristiques attractives de la thermoélectricité. Dans ce travail, le concept de convertisseur thermoélectronique est revisité sur la base de revêtements à faible travail d’extraction et en tirant parti des technologies de fabrication traditionnelles des MEMS pour la fabrication de paires d'électrodes à espacements micrométriques contrôlés. Premièrement, les oxydes alcalins sont déposés et caractérisés. Le composé d'oxyde de césium peut réduire le travail de sortie du silicium de près de 3eV à partir d'une valeur initiale d'environ 4,2eV. Deuxièmement, une étude numérique est menée sur le transfert thermique au sein du dispositif pour concevoir le convertisseur. Enfin, un processus de micro et nano-fabrication est développé pour fabriquer un démonstrateur MTC.

Solid-state thermoelectric conversion, which generates electricity in a direct, silent, vibration-free and maintenance-free way, is of the greatest interest for energy harvesting. The thermal energy is an abundant source for electrical generation, which makes thermoelectricity a good solution to meet the increasing demand for energy. Especially, it is seen as a tool towards low power supply for autonomous electronic devices, as field also known as internet-of-things. Conventional thermoelectric generators (TEG), based on Seebeck effect, generate electric power based on solid-states materials submitted to a temperature gradient. The mechanism of this thermal engine results in a huge thermal flow, which explains their inherent low efficiency. Radically different in nature, the structure of micro-vacuum-gap thermionic converter (MTC) based on thermionic emission virtually eliminates the thermal losses while keeping all attracting features of thermoelectricity. In this work, the concept of thermionic converter is revisited based on low-workfunction coatings and benefiting from mainstream fabrication technologies of MEMS to fabricate electrode pairs with controlled micrometer gaps. Firstly, alkali oxides are deposited and characterized. We find that the cesium oxide compound can reduce the work function of silicon by almost 3eV from an initial value of about 4.2eV. Secondly, a numerical study is lead on the thermal transfer within the device to propose a design. Finally, a micro and nano-fabrication process is developed to fabricate a MTC demonstrator.