Conductance électronique et effet Seebeck dans des canaux conducteurs implantés sous la surface du diamant

Electronic conductance and the Seebeck effect in conductive channels implanted beneath the diamond surface

• Auteur / Autrice : Sana Salami
• Direction : Stéphane Pailhès, Christophe Adessi, Shunmugam Ramsamy Naidoo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Catherine Journet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Pailhès, David Eon, Jean-François Barbot, Nathalie Vast
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Eon, Jean-François Barbot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conducteurs électriques

Thermoélectricité

Diamant -- Couches minces

Interactions électron-phonon

Mots clés libres

Interaction électron-Phonon

Seebeck

Diamant implanté

Phonons

Confinement

Electron-Phonon interaction

Seebeck

Implanted diamond

Phonons

Confinement

Résumé

L'interaction entre les électrons et les phonons dans la matière condensée est responsable du couplage de leurs équations de transport, ce qui donne lieu à des effets d’entrainements mutuels sous l'effet d'un gradient de température (effet Seebeck) ou d'un courant de charge (effet Peltier). Dans certains matériaux, ces effets, connus sous le terme anglophone de « phonon drag », conduisent à des valeurs de coefficient Seebeck très élevées. Ils se manifestent généralement à basse température lorsque le libre parcours moyen des phonons est important, près du maximum en température de la conductivité thermique de réseau. Historiquement, ces effets de « drag » entre les électrons et les phonons ont été mis de côté dans les stratégies de recherche en thermoélectricité car ils coïncident avec un maximum de la conductivité thermique du réseau, ce qui limite l'efficacité thermoélectrique. Toutefois, des études réalisées en 2008 sur des systèmes de silicium nanostructurés ont montré que des effets Seebeck significatifs dus à ces effets de « drag » peuvent coexister avec une faible conductivité thermique du réseau. Les travaux théoriques traitant les équations de transport couplées ont apporté de nouvelles perspectives, démontrant que les états de phonons dominant le transport de chaleur sont distincts de ceux qui sont principalement impliqués dans les effets de drag. L'objectif de ma thèse était de réaliser des expériences pour explorer un nouveau concept d’effets « drag » entre les électrons et les phonons, séparés par une interface. J'ai étudié les propriétés de transport des électrons confinés dans un canal conducteur sous la surface d'un diamant cristallin agissant comme un bain de phonon externe constitué d’états de phonon propagatifs. Mon travail inclut l’élaboration des systèmes, leur caractérisation structurale et le développement de protocoles de mesure pour la conductance et le coefficients Seebeck pour des systèmes conducteurs enterrés. J'ai étudié les propriétés de transport de canaux produits dans différentes conditions d'implantation et de recuit pour comprendre les liens entre leur microstructure et leurs propriétés de transport électronique. Dans la première étude, j'ai mesuré la conductance et le coefficient Seebeck dans des canaux épais (~145 nm) enfouis à environ 200 nm sous la surface du diamant. Ces canaux, créés par implantation ionique d'hélium à une fluence modérée suivie d'un recuit à haute température, présentaient principalement une microstructure graphitique. À température ambiante, la conductance est proche de celle du graphite massif. Le coefficient Seebeck présentait un comportement à basse température similaire à celui du graphite, avec un pic négatif attribué aux effets de traînée. Toutefois, ce pic est apparu à une température nettement plus élevée que dans le cas du graphite massif, ce qui pourrait être une première indication des contributions supplémentaires des phonons du diamant. Dans la seconde étude, j'ai examiné des canaux de dimensions similaires mais soumis à une fluence d'implantation plus faible ou recuits à des températures plus basses. Ces canaux présentent une microstructure désordonnée complexe composée d'agrégats d'atomes de carbone avec une hybridation sp, sp² et sp³. La conductance et le coefficient Seebeck en fonction de la température varient de manière significative par rapport à la première étude. Le coefficient Seebeck est positif et atteint plusieurs milliers de µV/K à basse température. Les propriétés de transport ont été interprétées à l'aide de la théorie du chaos quantique. Mon travail montre la faisabilité des mesures de conductance et du coefficient Seebeck à basse température à travers des canaux conducteurs enfouis sous la surface du diamant et met en évidence la richesse des propriétés de conduction de ces canaux qui peuvent être accordées en contrôlant leur microstructure par un choix judicieux des paramètres d'implantation et de recuit.

The interaction between electrons and phonons in condensed matter is responsible for the coupling of their transport equations, which gives rise to mutual drag effects between them under the effect of a temperature gradient (Seebeck effect) or a charge current (Peltier effect). In some bulk materials, these drag effects, better known as “phonon drag”, lead to very high Seebeck coefficient values at low temperatures. It usually manifests at low temperatures when the phonon mean free path is large, near the maximum in temperature of the lattice thermal conductivity in dielectric crystals, which occurs due to reduced phonon-phonon scattering. Historically, phonon drag has been overlooked in thermoelectric research as it coincides with the maximum in the lattice thermal conductivity peak, potentially reducing overall thermoelectric efficiency. However, studies in 2008 on nanostructured silicon systems contradicted this, demonstrating that significant Seebeck effects from phonon drag can coexist with low lattice thermal conductivity. Theoretical works treating the coupled transport equations offered new insights, demonstrating that phonon states dominating heat transport are distinct in phase space, in wave-vector, and energy from those mainly involved in drag effects. The aim of my thesis was to carry out experiments to explore a novel concept of phonon drag between electron and phonon gases, separated by an interface. I studied transport properties of electrons confined to a conductive channel beneath the surface of a crystalline diamond acting as an external phonon bath with propagative phonon states. My thesis involved system construction, structural characterization, development of measurement protocols for conductance and Seebeck coefficients, and adaptation of these measurements for buried conductive systems. I analyzed the transport properties of channels produced under different implantation and annealing conditions to understand how the microstructure of the channel influences electronic transport properties. In the first study, I measured conductance and the Seebeck coefficient in thick channels (~145 nm) buried about 200 nm below the diamond surface. These channels, created via helium ion implantation at moderate fluence followed by high-temperature annealing, displayed mostly a graphitic microstructure. At room temperature, the conductance was close to that of bulk graphite. The Seebeck coefficient exhibited low-temperature behavior akin to graphite, with a negative peak attributed to drag effects. However, this peak occurred at a significantly higher temperature compared to solid graphite, which could be a first indication of additional contributions from diamond phonons. In the second study, I examined channels with similar dimensions but subjected to lower implantation fluence or annealed at lower temperatures. These channels exhibited a highly disordered microstructure composed of aggregates of carbon atoms with sp, sp², and sp³ hybridization. The temperature-dependent conductance and Seebeck coefficient varied significantly from the first study. The Seebeck coefficient is positive and reached several thousand µV/K at low temperatures. The transport properties were interpreted using quantum chaos theory. My work shows the feasibility of conductance and Seebeck coefficient measurements at low temperature through conductive channels buried beneath the diamond surface and highlights the rich conduction properties of such channels which can be tuned by controlling their microstructure through a careful choice of implantation and annealing parameters.