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Forêt de nanofils semiconducteurs pour la thermoélectricité

Publié le 20 mai 2019
Thèse soutenue le 20 mai 2019 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
La conversion thermoélectrique a suscité un regain d'intérêt en raison des possibilités d'augmenter l'efficacité des dispositifs tout en exploitant les effets de taille. Par exemple, les nanofils montrent théoriquement une augmentation des facteurs de puissance ainsi qu'une réduction du transport des phonons en raison d'effets de confinement et/ou de taille. Dans ce contexte, le diamètre des nanofils devient un paramètre crucial à prendre en compte pour obtenir des rendements thermoélectriques élevés. Une approche habituelle consiste à réduire la conductivité thermique phononique dans les nanofils en améliorant la diffusion sur les surfaces tout en réduisant les diamètres.
Dans ce travail, la caractérisation thermique d'une forêt dense de nanofils de silicium, germanium, silicium-germanium et alliage Bi2Te3 est réalisée par une méthode 3ω très sensible. Ces forêts de nanofils pour le silicium, le germanium et les alliages silicium- germanium ont été fabriqués selon une technique "bottom-up" suivant le mécanisme Vapeur-Liquide-Solide en dépôt chimique en phase vapeur. La croissance assistée par matrice et la croissance par catalyseurs en or des nanofils à diamètres contrôlés ont été réalisées à l'aide d'alumine nanoporeuse comme matrice. Les nanofils sont fabriqués selon la géométrie interne des nanopores, dans ce cas le profil de surface des nanofils peut être modifié en fonction de la géométrie des nanopores. Profitant de ce fait, la croissance à haute densité de nanofils modulés en diamètre a également été démontrée, où l'amplitude et la période de modulation peuvent être facilement contrôlées pendant la fabrication des matrices. Même en modulant les diamètres pendant la croissance, la caractérisation structurale par microscopie électronique à transmission et analyse par diffraction des rayons X a montré que les nanofils étaient monocristallins.
La mesure du transport thermique de ces nanofils a révélé une forte diminution de la conductivité thermique en fonction du diamètre, dont la réduction était principalement liée à une forte diffusion par les surfaces. La contribution du libre parcours moyen à la conductivité thermique observée dans ces matériaux massifs varie beaucoup, le Bi2Te3 ayant une distribution de libre parcours moyen (0,1 nm à 15 nm) très faible par rapport aux autres matériaux. Malgré cela, des conductivités thermiques réduites (≈40%) ont été observées dans ces alliages attribuées à la diffusion par les surfaces et par les impuretés. D'autre part, nous avons montré par nos mesures que le silicium et le germanium ont une conductivité thermique plus élevée avec une plus grande distribution de libre parcours moyen. Dans ces nanofils, une réduction significative (facteur de 10 à 15) a été observée avec une forte dépendance avec la taille des nanofils.
Alors que les effets de taille réduisent la conductivité thermique par une plus grande diffusion sur les surfaces, le dopage de ces nanofils peut ajouter un mécanisme de diffusion par différence de masse à des échelles de longueur atomique. La dépendance en température de la conductivité thermique a été déterminée pour les nanofils dopés de silicium et a permis d'observer une réduction de la conductivité thermique jusqu’à une valeur de 4,6 W.m-1K-1 dans des nanofils de silicium fortement dopé avec un diamètre de 38 nm. En tenant compte de la conductivité électrique et du coefficient Seebeck calculé, un ZT de 0,5 est attendu ! Avec l'augmentation significative de l'efficacité du silicium en tant que matériau thermoélectrique, une application pratique réelle dans des dispositifs à base de nanofils est désormais envisageable.

Jury :
Rapporteure : Madame Marisol Martín González
Rapporteure : Madame Ilaria Zardo
Examinateur : Monsieur Stefan Dilhaire
Examinatrice : Madame Séverine Gomes
Examinatrice : Madame Clivia M. Sotomayor-Torres
Invité : Monsieur Dimitri Tainoff
Directeur de thèse : Monsieur Denis Buttard
Directeur de thèse : Monsieur Olivier Bourgeois

Mots clés :
Thermoélectricité, nanofils, dopage

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