Fabrication and thermal conductivity characterization of phononic engineered silicon membranes for thermoelectric applications

par Valeria Lacatena

Thèse de doctorat en Micro et Nanotechnologie, Acoustiques et Télécommunications

Soutenue le 01-06-2016

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (laboratoire) et de STMicroelectronics (entreprise) .

  • Titre traduit

    Fabrication et mesure de la conductivité thermique de membranes phononiques de silicium pour des applications thermoélectriques


  • Résumé

    La thermoélectricité rencontre un intérêt croissant ces dernières années comme source d'énergie alternative pour l’alimentation de dispositifs micro- et nano- électroniques. Les matériaux thermoélectriques transforment par effet Seebeck une différence de température en énergie électrique utile. Dans les dispositifs thermoélectriques, l’énergie perdue en général sous forme de chaleur résiduelle peut ainsi être recyclée en utilisant les gradients de température existants. L'efficacité thermoélectrique dépend des propriétés électroniques du matériau et de sa conductivité thermique κ. Le silicium présente une très bonne conductivité électrique et un coefficient Seebeck prometteur, mais sa conductivité thermique phononique limite fortement son potentiel pour des applications thermoélectriques, du moins sous forme de matériau massif. Par contre, la nanostructuration du silicium en couches minces, et a fortiori la fabrication de cristaux phononiques permet de réduire fortement la conductivité thermique. Dans ce travail, des simulations de dynamique moléculaire sont réalisées pour confirmer cette stratégie et permettre la définition d'un design optimal de membranes perforées. De plus, le travail expérimental montre différentes méthodologies de fabrication de membranes phononiques de silicium intégrées dans une plate-forme de métrologie. Plusieurs techniques de caractérisation (Electrothermique, Raman et Microscopie à sonde thermique) ont ensuite été utilisées pour déterminer la conductivité thermique des membranes. Une réduction considérable de κ est obtenue pour le silicium, permettant d’envisager l’intégration de ces membranes dans un convertisseur thermoélectrique.


  • Résumé

    In the last twenty years, the continuous seek for alternative energy sources to power micro- and nano-electronic devices has marked the rise of interest toward thermoelectricity. Thermoelectric materials can turn directly, by Seebeck effect, the temperature difference into useful electric power. The energy lost as waste heat can be re-used as a power source. It is known that, to improve thermoelectric efficiency, an important role is played by material’s electronic properties and its thermal conductivity. Silicon exhibits very good electrical conductivity and Seebeck parameter, but its lattice thermal conductivity represents the bigger obstacle for thermoelectric applications, preventing its direct integration as bulk material. It has been demonstrated that nanostructuring silicon in thin films enables the reduction of thermal conductivity down to one order of magnitude. Furthermore, a supplementary decrease of thermal conductivity is possible by periodical patterning of the silicon thin film in a photonic-like way, creating Phononic Crystals (PnCs). In our work molecular dynamics simulations are performed to confirm the trend envisaged and allow the definition of an optimal design for the patterned membranes. Moreover, our experimental work lists different fabrication methodologies of silicon phononic engineered membranes integrate into a metrology platform. Several characterization techniques (Electrothermal , Raman thermometry, Scanning Thermal Microscopy) are used to determine the membranes thermal conductivity. A considerable reduction of κ is obtained for silicon, paving the way for a prospective integration of those membranes into a thermoelectric converter.



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