Elaboration des couches minces thermoélectriques : expérience et modélisation

Elaboration of thermoelectric thin films : experiment and modeling

• Auteur / Autrice : Nouredine Oueldna
• Direction : Khalid Hoummada, Abdelkhalek Kammouni, Alain Portavoce
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 19/11/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Université Moulay Ismaïl (Meknès, Maroc). Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - LASMAR (Meknès Maroc)
• Jury : Président / Présidente : Youssef El Amraoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaële Danoix, Aboubakr Bouayad
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daoud Mezzane, Mimoun El Marssi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiocristallographie

Pulvérisation cathodique

MOS complémentaires

Couches minces

Thermoélectricité

Nanotechnologie

Mots clés libres

Α-MgAgSb

Thermoélectricité

Coefficient de Seebeck

Films minces

Pulvérisation cathodique

Diffraction des rayons X in situ

Transition de phases

Α-MgAgSb

Thermoelectricity

Seebeck coefficient

Thin films

Magnetron sputtering

In situ X ray diffraction

Phase transition

Résumé

L’objectif de cette étude est de participer au développement de nouveaux nanomatériaux thermoélectriques (TE) compatibles avec la technologie CMOS, afin de développer des composants intégrés permettant de récupérer l’énergie perdue dans les dispositifs de la microélectronique. Le but est de réaliser un film mince de α, car ce composé n’est pas toxique et ses éléments ne sont pas rares contrairement aux matériaux à base de Bi et de Te. Les propriétés TE de α à l’état massif, notamment au voisinage de la température ambiante, font de ce matériau un matériau très prometteur pour les applications TE. Ce travail de thèse porte sur l’influence de la méthode d’élaboration par pulvérisation cathodique sur les températures de transition des phases Mg-Ag-Sb en film mince, ainsi que sur la microstructure des films, en lien avec leurs propriétés TE. Nos résultats montrent que l’utilisation d’une cible alliée (Mg1/3Ag1/3Sb1/3) ne permet pas d’obtenir un film homogène de α. La formation de α est accompagnée des phases secondaires Ag3Sb et Sb qui détériorent les propriétés TE du film. Cependant, il est possible de supprimer la formation de Ag3Sb grâce à la co-pulvérisation de trois cibles pures Mg, Ag et Sb, dans des conditions d’élaboration optimisées. Ces études montrent que les proportions des phases présentes dans les films affectent fortement le coefficient de Seebeck effectif (S) des films. Cependant, le rôle des interfaces entre les phases sur le S du film est négligeable. Nos observations in situ montrent que les transitions de phases ne sont pas allotropique comme généralement admis. Ces trois phases possèdent des compositions différentes et ne sont pas stœchiométriques

The goal of the present study is to participate to the development of new thermoelectric nanomaterials (TE) compatible with the CMOS technology, allowing integrated components able to use lost thermal energy in integrated circuits to power microelectronic devices to be developed. Unlike bismuth and tellurium based materials, the compound α MgAgSb is made of nontoxic and abundant elements. The TE properties of bulk α MgAgSb, especially at room temperature, were shown to be very promising for TE applications. The goal of this PhD work is to investigate the possibility of producing α thin films using magnetron sputtering deposition technique. The influence of the elaboration method on the Mg-Ag-Sb phase transitions in thin films as well as on the film microstructure is investigated in relation with the film TE properties. The results show that the use of an alloyed target (Mg1/3Ag1/3Sb1/3) does not allow a homogeneous α film to be produced. The formation of the phase α is always accompanied with the formation of the secondary phases Ag3Sb and Sb that deteriorate the film TE properties. However, it is possible to suppress the formation of Ag3Sb by co sputtering three pure targets Mg, Ag, and Sb, using optimized sputtering conditions. This study shows that the proportion of the different phases in the films strongly affects the effective Seebeck coefficient (S) of the films. However, the contribution of the interfaces between the nanometric grains of these phases on S is negligible. Contrasting with the general assumption, our in situ observations indicate that the phase transitions are not allotropic. These three phases have different compositions and are non stoichiometric