Synthèse, caractérisation physico-chimique et propriétés thermoélectriques du silicium mésoporeux : apport de l'insertion de nanographène - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Synthesis, physico-chemical characterization and thermoelectric properties of mesoporous silicon : contribution of nanographene insertion

Synthèse, caractérisation physico-chimique et propriétés thermoélectriques du silicium mésoporeux : apport de l'insertion de nanographène

Résumé

Nanostructured semiconductors remain very attractive materials for conducting research on the harvesting of perpetual energy such as waste heat in microsystems at room temperature. Thanks to progress on nanostructuring processes, it is then possible, thanks to the confinement of phonons, to reach high values of thermoelectric coefficients (Seebeck or power factor) at room temperature. Silicon, widely used in microelectronics, is a particularly interesting material thanks to its abundance and the simplicity of obtaining its nanostructured form, mesoporous silicon by electrochemical etching making it even more interesting for thermoelectric applications. This nanostructured form also implies a reduction in the electrical conductivity of the material which, thanks to the incorporation of nanographene, can be significantly improved. However, the mesoporous-nanographene nanocomposite that we synthesized in this work cannot be characterized by standard tools. The design of a new dedicated measuring bench has made it possible to carry out measurements of the Seebeck coefficient and thermal conductivity to correlate with the morphology of mesoporous silicon. In particular, a sandwich configuration with the so-called 'temperature gradient' method imposed in the crystallographic direction [100], identical to that of pore etching, made it possible to compare the results with nanographenized substrates. The incorporation of nanographene shows a lowering of the Seebeck coefficient, from 750 to 120 µV/K and an improvement in the electrical conductivity, from 10-5 to 10-2 S/m, with also a low thermal conductivity, from 1 to 3 W/m.K, compared to the thermal conductivity of crystalline silicon, which is of the order of 100 W/m.K. Thus we show the improvement of the value of the power factor thanks to this incorporation, from 59.3 to 238 µW/m.K².
Les semi-conducteurs nanostructurés restent des matériaux très attractifs pour mener des recherches sur la récupération de l'énergie perpétuelle comme la chaleur résiduelle dans les microsystèmes à température ambiante. Grâce aux progrès sur les procédés de nanostructuration, il est possible alors grâce au confinement des phonons d'atteindre des valeurs de coefficients thermoélectriques (Seebeck ou facteur de puissance) élevés à température ambiante. Le silicium, utilisé fortement en microélectronique est un matériau particulièrement intéressant grâce à son abondance et la simplicité de l'obtention de sa forme nanostructurée, le silicium mésoporeux par gravure électrochimique le rendant encore plus intéressant pour des applications thermoélectriques. Cette forme nanostructurée implique également une diminution de la conductivité électrique du matériau qui grâce à l'incorporation de nanographène peut significativement s'améliorer. Cependant, le nanocomposite mésoporeux-nanographène que nous avons synthétisé dans le cadre de ces travaux ne peut être caractérisé par des outils standards. La conception d'un nouveau banc de mesure dédié a permis de réaliser des mesures de coefficient Seebeck et de conductivité thermique corréler à la morphologie du silicium mésoporeux. En particulier, une configuration sandwich avec la méthode dite du ‘gradient de température' imposé dans la direction cristallographique [100], identique à celle de la gravure des pores a permis de comparer les résultats avec les substrats nanographénisés. L'incorporation du nanographène montre un abaissement du coefficient Seebeck, de 750 à 120 µV/K et une amélioration de la conductivité électrique, de 10-5 à 10-2 S/m, avec également une faible conductivité thermique, de 1 à 3 W/m.K, par rapport à la conductivité thermique du silicium cristallin, qui est de l'ordre de 100 W/m.K. Ainsi nous montrons l'amélioration de la valeur du facteur de puissance grâce à cette incorporation, de 59.3 à 238 µW/m.K².
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04433510 , version 1 (02-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04433510 , version 1

Citer

Sibel Nar. Synthèse, caractérisation physico-chimique et propriétés thermoélectriques du silicium mésoporeux : apport de l'insertion de nanographène. Autre. Université d'Orléans; Université de Sherbrooke (Québec, Canada), 2023. Français. ⟨NNT : 2023ORLE1027⟩. ⟨tel-04433510⟩
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