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Yanqing Liu

Ingénierie thermique dans un semi-conducteur nanostructure par épitaxie à base de germanium

Publié le 16 novembre 2015
Thèse soutenue le 16 novembre 2015 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
Ce travail de thèse porte sur les propriétés de transport thermique liées aux phonons dans un nouveau matériau nanostructuré constituée de couches minces de Ge:Mn de type "electron crystal - phonon glass". Ce matériau est élaboré par épitaxie par jets moléculaire au CEA/INAC à Grenoble sur des substrats spécifiques « Germanium-on-insulator (GOI) ». Il consiste en une matrice de germanium possédant une qualité cristalline parfaite dans laquelle sont inclues une importante concentration de nano-inclusions de Ge3Mn5 de forme quasi-sphérique. Révélé par les caractérisations de TEM, les nano-inclusions ont une distribution de diamètre variant de 5 à 50 nm. Il est par ailleurs possible de jouer sur les paramètres de croissance afin de modifier la dispersion de taille des inclusions ainsi que leur concentration. Cette possibilité nous a donc permit d'étudier l'influence des nano-inclusions sur le transport de chaleur de façon exhaustive autour de la température ambiante. Pour ce faire, une expérience de mesure de conductivité thermique « 3 omega » dédiée à ces échantillons et extrêmement sensible, a été fabriquée à l'institut Néel. Cette expérience nous a permis de mesurer les variations de conductivité thermique induites par la modification de la distribution en taille des nano-inclusions de Ge:Mn dans des couches minces d'une centaine de nanomètre d'épaisseur avec une erreur réduite d'environ 12 %. Il a été montré que le transport thermique dans ces couches minces pouvait être réduit d'un facteur 20 comparé au germanium massif puisque des valeurs de conductivité thermique de l'ordre de 3 W.m-1.K-1 ont été mesurées. Ces valeurs ont été confirmées par des expériences SThM au CETHIL de Lyon. Les valeurs obtenues sont mêmes en dessous de la limite d'alliage pour le SiGe, ce qui n'est pas explicable par les théories actuelles. Ces faibles conductivités thermiques ainsi que la grande mobilité des porteurs dans le germanium font de ces matériaux à base de GeMn de bons candidats pour la thermoélectricité. Des simulations numériques ont été utilisées afin de mieux comprendre cette diminution spectaculaire de la conductivité thermique et d'interpréter les données expérimentales.

Jury :
Président : Prof. Emmanuel Hadji
Rapporteur : Prof. Clivia Sotomayor Torres
Rapporteur : Prof. David Lacroix
Examinateur : Prof. Nathalie Trannoy
Invité : Dr Dimitri Tainoff
Directeur de thèse : Prof. Olivier Bourgeois
Co-directrice de thèse : Dr Séverine Gomes

Mots clés :
Thermoélectricité, 3-Omega méthode, Couche mince, Nano-Inclusion, Germanium, Transport de phonons

Thèse en ligne.