Forêt de nanofils semiconducteurs pour la thermoélectricité

par Dhruv Singhal

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Denis Buttard et de Olivier Bourgeois.

Soutenue le 20-05-2019

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble) (laboratoire) et de Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Clivia M. Sotomayor Torres.

Le jury était composé de Marisol Martin-Gonzalez, Ilaria Zardo, Stefan Dilhaire, Séverine Gomès.

Les rapporteurs étaient Marisol Martin-Gonzalez, Ilaria Zardo.


  • Résumé

    La conversion thermoélectrique a suscité un regain d'intérêt en raison des possibilités d'augmenter l'efficacité 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 3-omega 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 réalisés 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, les nanofils ont été structurellement caractérisés comme étant monocristallins par microscopie électronique à transmission et analyse par diffraction des rayons X.La caractérisation 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 "bulk" varie beaucoup, Bi2Te3 ayant une distribution en libre parcours moyen (0,1 nm à 15 nm) très faible par rapport aux autres matériaux. Même alors, 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, 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 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 meilleure 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 afin d'observer une réduction de la conductivité thermique à une valeur de 4,6 W.m-1K-1 dans des nanofils de silicium fortement dopés avec un diamètre de 38 nm. En tenant compte de la conductivité électrique et du coefficient Seebeck calculé, on a observé un ZT de 0,5. Avec l'augmentation significative de l'efficacité du silicium en tant que matériau thermoélectrique, une application pratique réelle sur les appareils n'est pas loin de la réalité.

  • Titre traduit

    Forest of semiconducting nanowires for thermoelectricity


  • Résumé

    Thermoelectric conversion has gained renewed interest based on the possibilities of increasing the efficiencies while exploiting the size effects. For instance, nanowires theoretically show increased power factors along with reduced phonon transport owing to confinement and/or size effects. In this context, the diameter of the nanowires becomes a crucial parameter to address in order to obtain high thermoelectric efficiencies. A usual approach is directed towards reducing the phononic thermal conductivity in nanowires by achieving enhanced boundary scattering while reducing diameters.In this work, thermal characterisation of a dense forest of silicon, germanium, silicon-germanium and Bi2Te3 alloy nanowires is done through a sensitive 3ω method. These forest of nanowires for silicon, germanium and silicon-germanium alloy were grown through bottom-up technique following the Vapour-Liquid-Solid mechanism in Chemical vapour deposition. The template-assisted and gold catalyst growth of nanowires with controlled diameters was achieved with the aid of tuneable nanoporous alumina as templates. The nanowires are grown following the internal geometry of the nanopores, in such a case the surface profile of the nanowires can be modified according to the fabricated geometry of nanopores. Benefiting from this fact, high-density growth of diameter-modulated nanowires was also demonstrated, where the amplitude and the period of modulation can be easily tuned during the fabrication of the templates. Even while modulating the diameters during growth, the nanowires were structurally characterised to be monocrystalline through transmission electron microscopy and X-ray diffraction analysis.The thermal characterisation of these nanowires revealed a strong diameter dependent decrease in the thermal conductivity, where the reduction was predominantly linked to strong boundary scattering. The mean free path contribution to the thermal conductivity observed in the bulk of fabricated nanowire materials vary a lot, where Bi2Te3 has strikingly low mean free path distribution (0.1 nm to 15 nm) as compared to the other materials. Even then, reduced thermal conductivities (~40%) were observed in these alloys attributed to boundary and impurity scattering. On the other hand, silicon and germanium have higher thermal conductivity with a larger mean free path distribution. In these nanowires, a significant reduction (10-15 times) was observed with a strong dependence on the size of the nanowires.While size effects reduce the thermal conductivity by enhanced boundary scattering, doping these nanowires can incorporate mass-difference scattering at atomic length scales. The temperature dependence of thermal conductivity was determined for doped nanowires of silicon to observe a reduction in thermal conductivity to a value of 4.6 W.m-1K-1 in highly n-doped silicon nanowires with 38 nm diameter. Taking into account the electrical conductivity and calculated Seebeck coefficient, a ZT of 0.5 was observed. With these significant increase in the efficiency of silicon as a thermoelectric material, a real practical application to devices is not far from reality.


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