Electrical and thermal properties of silicon nanowire arrays

par Sofia Rodichkina

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Volodymyr Lysenko et de Victor Timoshenko.

Soutenue le 10-12-2019

à Lyon en cotutelle avec l'Université Lomonossov (Moscou) , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Ronan Le dantec.

Le jury était composé de Volodymyr Lysenko, Victor Timoshenko, Ronan Le dantec, Gael Gautier, Gilles Lerondel, Séverine Gomes.

Les rapporteurs étaient Gael Gautier, Gilles Lerondel.

  • Titre traduit

    Propriétés électriques et thermiques des réseaux de nanofils de silicium


  • Résumé

    Les nanofils de silicium (SiNWs) attirent l’attention particulière en raison de leurs applications thermoélectriques prometteuses. La faible conductivité thermique et les propriétés électriques proches du Si massif en font un nanomatériau thermoélectrique idéal dans le concept de "verre à phonons - cristal à électrons". Théoriquement, les valeurs du facteur de mérite thermoélectrique (ZT) pour SiNW peuvent atteindre 3 à la température ambiante. ZT = 0,7 a été déjà obtenu expérimentalement pour des SiNW individuels, ce qui est proche de ZT pour les chalcogénures de bismuth (ZT = 0,8 -1,0) qui sont couramment utilisés. De point de vue pratique, il faut savoir fabriquer des réseaux de SiNWs à faible coût. Dans cette thèse, nous avons cherché: (i) à adapter des technologies existantes pour la fabrication des SiNWs fortement dopés, (ii) à développer des méthodes de caractérisation sans contact et non destructive des propriétés électriques et thermiques de réseaux de SiNWs, (iii) à fabriquer et caractériser des réseaux de SiNWs à haute conductivité électrique et faible conductivité thermique. Les réseaux des SiNW ayant la morphologie et le niveau de dopage nécessaires pour obtenir un ZT maximal ont été fabriquées par gravure chimique assistée par métaux de substrats de silicium. Une procédure de dopage post-fabrication a été développée en utilisant la diffusion thermique d’atomes de dopant à partir de solutions de dopage (via un dépôt spin-on). En particulier, les réseaux de nanofils de silicium ayant un diamètre typique de 100 nm, une longueur de 10 mm, une morphologie de type "cœur cristallin/ surface rugueuse" et un niveau de dopage de 10 20 cm.


  • Résumé

    Silicon nanowires (SiNWs) attract growing attention in view of their promising thermoelectric applications. Low thermal conductivity and bulk-like electrical properties make them a perfect candidate as a thermoelectric material in framework of the concept “phonon-glass/ electroncrystal”. Theoretically, the values of figure of merit (ZT) for SiNWs as high as three can be achieved at room temperature, and experimentally ZT = 0.7 were already observed for individual SiNWs, which is close to ZT for commonly used bismuth chalcogenides (ZT = 0.8-1.0). For practical application of SiNWs, the low-cost fabrication methods for SiNWs arrays with high ZT should be achieved. In this thesis we aimed: (i) to adapt available semiconductor technology for fabrication of highly-doped SiNWs arrays, (ii) to develop contactless methods for non-destructive characterization of electrical and thermal properties of the SiNWs arrays, (iii) to fabricate and characterize SiNWs arrays with high electrical and low thermal conductivities. The arrays of SiNWs with the morphology and doping level necessary for maximum ZT were fabricated using metal-assisted chemical etching of silicon wafers and post-fabrication doping procedure, which consisted of the thermal diffusion of dopant atoms from spin-on dopant solutions. In particular, the arrays of silicon nanowires with a typical diameter of 100 nm, length of 10 mm, bulk core/rough surface morphology and doping level of 1020 cm.


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