Influence des défauts induits par implantation sur les propriétés thermoélectriques du ScN

Influence of implantation-induced defects on the thermoelectric properties of ScN

• Auteur / Autrice : Razvan Burcea
• Direction : Jean-François Barbot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers ; 2010-....) - Institut Pprime [UPR 3346] / PPrime [Poitiers]
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (1896-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Cabioc'h
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Dilhaire, Arnaud Le Febvrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicole Fréty, Nicolas Horny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Nitrure de scandium

Propriétés thermoélectriques

Semiconducteurs -- Défauts

Ions -- Implantation

Thermoélectricité

Mots clés libres

Thermoélectricité

Films minces

Implantation ionique

Xrd

Tem

Ellipsométrie

Propriétés électriques

Thermoelectricity

Thin films

Ion implantation

Xrd

Tem

Ellipsometry

Electrical properties

Résumé

Dans un contexte énergétique incertain, l’idée de récupérer un flux de chaleur perdu en courant électrique apparait séduisante : c’est le principe de la thermoélectricité. Ce travail de thèse a pour objectif de montrer que les défauts qui influencent les propriétés physiques peuvent être utilisés pour les moduler et ainsi améliorer les performances des matériaux thermoélectriques, dont leur facteur de mérite (ZTm = S²/ρκ ). Les défauts ont été introduits via un processus hors équilibre, couramment utilisé dans l’industrie du semi-conducteur, appelé implantation ionique. Des films minces de ScN ont ainsi été implantés à différents taux d’endommagement et l’effet des ions a été examiné à travers différentes techniques de caractérisation permettant d’analyser en détail l’évolution des propriétés structurales et thermoélectriques. Les résultats montrent que quel que soit l’ion considéré, la génération de défauts induit systématiquement une diminution importante de la conductivité thermique (κ). Cependant, dans le ScN l’implantation provoque également un changement du mode de conduction électrique, de type métallique à semi-conducteur. Ce changement est imputé à des défauts de type ponctuel qui induisent des états localisés proches du niveau de Fermi, entrainant alors un mode de conduction par sauts (VRH). Ces défauts guérissent dès 400 K, laissant place à un autre type de défauts dits complexes qui sont notamment responsables de l’augmentation de la résistivité (ρ) mais également de l’amélioration du coefficient Seebeck (S). Ainsi, après implantation le ZTm du ScN peut être amélioré jusqu’à 150%. Des recuits thermiques post-implantation montrent une évolution des défauts et une guérison de l’endommagement simultanément, permettant ainsi de restaurer la résistivité tout en préservant un effet sur la conductivité thermique. L’implantation ionique apparait donc comme une technique adaptée pour moduler les propriétés des matériaux thermoélectriques.

Given the current energy context, the idea of recovering a flow of lost heat as an electrical current appears attractive: this is the principle of thermoelectricity. The aim of this thesis work is to show that the defects that influence physical properties can be used to modulate them and thus improve the performance of thermoelectric materials, including their figure of merit (ZTm= S²/ρκ ). Defects were introduced via a non-equilibrium process, commonly used in the semiconductor industry, called ion implantation. ScN thin films were implanted at different damage rates and the effect of ions was examined using various characterisation techniques to analyse in detail the evolution of the structural and thermoelectric properties. The results show that regardless of the ion considered, the generation of defects systematically leads to a significant decrease in thermal conductivity (κ). However, in ScN, implantation also causes a change in the electrical conduction mode, from metallic to semiconductor. This change is attributed to point-like defects that induce localised states close to the Fermi level, resulting in a hopping conduction mode (VRH). These defects recover after 400 K, leaving place for another type of defects known as complex defects, which are responsible in particular for the increase in resistivity (ρ), but also for the improvement in the Seebeck coefficient (S). After implantation, the ZTm of ScN can be improved up to 150%. Post-implantation thermal annealing shows a simultaneous evolution of the defects and recovery of the damage, thereby restoring the resistivity while preserving an effect on thermal conductivity. Ion implantation therefore appears to be a suitable technique for modulating the properties of thermoelectric materials.