Assas Recherche | Etude des propriétés thermoélectriques et d’isolation thermique du Si poreux et Si nanocristallin

Etude des propriétés thermoélectriques et d’isolation thermique du Si poreux et Si nanocristallin (Document en Anglais)

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Modalités de diffusion de la thèse :

Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 14/04/2017 (communication intranet).

Informations sur les contributeurs

Auteur : Valalaki Aikaterini

Valalaki, Aikaterini

Nom

Valalaki

Prénom

Aikaterini

Nationalité

Date de soutenance : 25-05-2016

Directeur(s) de thèse : Benech Philippe

Benech, Philippe

Nom

Benech

Prénom

Philippe

- Nassiopoulou Androula G.

Nassiopoulou, Androula G.

Nom

Nassiopoulou

Prénom

Androula G.

Etablissement de soutenance : Université Grenoble Alpes (ComUE)

Université Grenoble Alpes (ComUE)

Nom

Université Grenoble Alpes (ComUE)

Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (Grenoble, Isère, France ; Chambéry ; 2007-....)

Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (Grenoble, Isère, France ; Chambéry ; 2007-....)

Nom

Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (Grenoble, Isère, France ; Chambéry ; 2007-....)

Ecole doctorale : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)

École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)

Nom

École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)

Informations générales

Discipline : Nanoélectronique et nanotechnologie
Classification : Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres : Silicium poreux, Si polycrystallin, Isolation thermique, Conductivité thermique, Matériaux thermoélectrique à base Si, Coefficient Seebeck
Mots-clés :

Silicium poreux
Isolation thermique

Résumé : Cette thèse a été consacrée à l’étude du Si poreux comme matériaux à faible conductivité thermique (k) pour application aux dispositifs thermoélectriques à base de Si. D’autres paramètres thermoélectriques, comme par exemple le coefficient Seebeck de ce matériau, ont été également étudiés.Si poreux est un matériau complexe composé de nanostructures de Si séparées de vide. Quand la porosité est élevée, sa conductivité thermique est bien inférieure à celle de Si cristallin. Nous avons étudié la conductivité thermique de Si poreux de différentes morphologies et porosités dans la gamme de températures 4.2-350K. Les mesures à T<20K sont les premières dans la bibliographie et ont montré une saturation de k en fonction de T pour ces températures. A des températures supérieures à 20K, k augmente régulièrement avec la température. La dépendance de température de k de Si poreux a été interprétée en considérant des modèles théoriques, basées sur la nature “fractal” de Si poreux. Nous avons calculé la dimension fractale de Si poreux par des images de microscopie électronique à balayage (SEM) et l’algorithme de “box counting”.Deux méthodes différentes ont été utilisées pour mesurer k: la méthode à courant direct (dc) combinée avec une analyse FEM et la méthode 3?. Nous avons proposé deux approches améliorées pour extraire k du signal de potentiel 3? en fonction de la fréquence. La première considère l’accord des résultats expérimentaux avec la solution asymptotique intégrale de la formule de Cahill, et la seconde fait une analyse des résultats expérimentaux en solvant l’équation temporelle de transfert de chaleur par des éléments finis. Plus précise est la méthode 3? combinée avec des éléments finis. Les résultats correspondants sont en bon accord avec ceux obtenus par la méthode dc.Nous avons aussi étudié le Si poreux comme matériau thermoélectrique. Dans ce cas, le Si poreux peut être intéressant si il a une faible porosité, car le matériau à haute porosité est très résistive. Dans ce but, nous avons déterminé le coefficient Seebeck (S) des membranes de Si poreux de différentes porosités dans la gamme 40-84%, en utilisant un dispositif de mesure spécialement développé à cet effet. Pour des échantillons de porosité 51%, la valeur de coefficient S est de 1mV/K, bien supérieure à celle le Si cristallin. La dépendance de S de la porosité n’est pas monotone, et ceci est attribué à une combinaison des effets de filtrage d’énergie, des collisions des phonons et interactions phonon-porteurs électriques. Les résultats obtenus sont basées sur des mesures de photoluminescence (PL) et observations microscopiques à transmission (TEM). Nous avons enfin conclue que, malgré le coefficient S très élevé, le Si poreux n’est pas adéquat comme matériau thermoélectrique à cause de sa faible conductivité électrique, qui diminue en augmentant la porosité à cause de la résultante déplétion de porteurs.Nous avons aussi étudié des films minces polycristallins dopés avec du Bore. Ces films sont très intéressants comme matériaux thermoélectrique, car ils sont compatibles avec les procédés de fabrication des circuits intégrés de Si. Leur performance thermoélectrique est améliorée par diminution de la taille des grains. Des films minces polycristallins d’épaisseur entre 100 et 500nm ont été étudiés. Tous leurs paramètres thermoélectriques ont été mesurés et nous avons trouvé que le facteur de performance thermoélectrique zT augmente d’un facteur 3 en diminuant l’épaisseur de 500 à 100nm ceci étant attribué à la diminution de la taille des grains dans les films, conduisant à zT = 0.033, qui est la meilleure valeur reporté dans la littérature.Ce résultat compétitif augmente le potentiel d’utilisation des films polycristallins dans des dispositifs thermoélectriques efficaces, compatibles à la technologie de Si.

Informations techniques

Type de contenu : Text
Format : PDF

Informations complémentaires

Entrepôt d'origine :

STAR : dépôt national des thèses électroniques françaises

Identifiant : 2016GREAT031
Type de ressource : Thèse

Fiche descriptive