Conversion thermoélectrique dans les nanofils désordonnés

Thermoelectric conversion in disordered nanowires

• Auteur / Autrice : Riccardo Bosisio
• Direction : Jean-Louis Pichard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 23/09/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Delande, Colin Lambert, Marc Sanquer, Sebastian Volz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Thermoélectricité

Mots clés libres

Thermoélectricité

Nanofils semi-conducteurs désordonnés

Régime activé

Formalisme d'Onsager

Refroidissement Peltier

Réseau de résistances aléatoires

Disordered semiconductor nanowires

Thermoelectricity

Résumé

Cette thèse porte sur la conversion thermoélectrique de nanofils semi-conducteurs désordonnés en configuration de transistor à effet de champ.On considère d’abord le régime de transport élastique à basse température. En utilisant un modèle d'Anderson 1D, on dérive des expressions analytiques pour le coefficient Seebeck typique d’un nanofil en fonction de la tension de grille, et on montre que celui-ci augmente fortement en bord de bande. Ces résultats sont confirmés par un calcul numérique du Seebeck, basé sur un algorithme de fonctions de Green récursif.On considère ensuite le régime inélastique où les électrons, assistés par les phonons, sautent entre états localisés. En résolvant numériquement le réseau de résistances aléatoires de Miller-Abrahams, on montre que le coefficient Seebeck peut atteindre des valeurs très élevées au voisinage des bords de bande du nanofil. La théorie de percolation de Zvyagin étendue au cas unidimensionnel nous permet de décrire qualitativement nos résultats. Par ailleurs, les échanges de chaleur entre électrons et phonons en bord de bande entraînent la formation de points chauds et froids à la surface du substrat, qui pourraient être utilisés pour le refroidissement de circuits électroniques. Cet effet est étudié pour un ensemble de fils en parallèle. Le facteur de puissance et la figure de mérite de ces systèmes sont aussi estimés.Enfin, on étudie un système général à trois terminaux en réponse linéaire. On calcule les coefficients de transport locaux et non-locaux, et les figures de mérite généralisées, puis l'on discute à l'aide de deux exemples la possibilité d’améliorer la performance d’une machine thermique quantique générique.

This thesis is focused on thermoelectric conversion in disordered semiconductor nanowires in the field effect transistor configuration. We first consider a low temperature regime, when electronic transport is elastic. For a 1D Anderson model, we derive analytical expressions describing the typical thermopower of a single nanowire as a function of the applied gate voltage, and we show that it is largely enhanced at the nanowire band edges. Our results are confirmed by numerical simulations based on a Recursive Green Function calculation of the thermopower. We then consider the case of inelastic transport, achieved by phonon-assisted hopping among localized states (Variable Range Hopping). By solving numerically the Miller Abrahams random resistor network, we show that the thermopower can attain huge values when the nanowire band edges are probed. A percolation theory by Zvyagin extended to nanowires allows to qualitatively describe our results. Also, the mechanism of heat exchange between electrons and phonons at the band edges lead to the generation of hot and cold spots near the boundaries of a substrate. This effect, of interest for cooling issues in microelectronics, is showed for a set of parallel nanowires, a scalable and hence promising system for practical applications. The power factor and figure of merit of the device are also estimated.Finally, we characterize a general three-terminal system within the linear response (Onsager) formalism: we derive local and non-local transport coefficients, as well as generalized figures of merit. The possibility of improving the performance of a generic quantum machine is discussed with the help of two simple examples.