Jury:

• Emmanuel DUBOIS, Directeur de Recherche, Université de Lille (Directeur de thèse)
• Thomas SKOTNICKI, Professeur, Cezamat Varsovie (Codirecteur de thèse)
• Jean-François ROBILLARD, Maître de Conférences, IEMN Lille & ISEN Lille (Examinateur)
• Stephane MONFRAY, Ingénieur de Recherche, STMicroelectronics Crolles (Examinateur)
• Olivier BOURGEOIS, Directeur de Recherche, Institut Néel Grenoble (Rapporteur)
• Sylvie HEBERT, Directeur de Recherche, CRISMAT Caen (Rapporteur)
• Edith KUSSENER, Maître de Conférences, IM2NP & ISEN Toulon (Examinateur)
• Guillaume SAVELLI, Ingénieur de Recherche, CEA Grenoble (Examinateur)

Résumé :

L’essor de l’Internet des objets (IoT) et des capteurs autonomes et communicants semble être retardé en raison du manque de source d’énergie fiable, sûre et à faible coût [Nordrum 2016]. Les récupérateurs d’énergies thermoélectriques présentent ces avantages clés. Le silicium présente les avantages d’être très abondant, moins polluant sur le plan environnemental et de bénéficier d’installations et de processus technologiques permettant la production en série de récupérateurs d’énergies thermoélectriques à faible coût par rapport aux matériaux conventionnel (alliages de tellure de bismuth). Toutefois, le silicium est un matériau thermoélectrique médiocre en raison de sa conductivité thermique élevée (150Wm^(-1) K^(-1)) [Haras et al. 2015]. La possibilité de réduire la conductivité thermique tout en préservant la conductivité électrique et le coefficient Seebeck est la clé pour améliorer le silicium en tant que matériau thermoélectrique efficace. À cette fin, les efforts sont orientés vers la partie phononique du transport de chaleur, qui constitue la contribution dominante dans les semi-conducteurs [Jin 2014].

Les recherches menées au cours de cette thèse ont porté sur l’intégration des membranes de silicium nanostructurés de réseaux phononiques [Haras 2016; Lacatena et al. 2014; Tang et al. 2010; Yu et al. 2010] dans des démonstrateurs de récupérateurs d’énergies thermoélectriques et leur caractérisation au regard de l’état de l’art. Les résultats de ces études ont démontré la faisabilité d’un récupérateur d’énergie thermoélectrique à base de silicium présentant des performances suffisantes pour l’alimentation en énergie de nœuds de capteurs autonomes [Vullers et al. 2009] et des performances comparables à celles d’un récupérateur (état de l’art) à base de tellure de bismuth [Bottner 2005] en fonction des conditions de refroidissement de ces derniers. De plus, cette thèse a démontré, outre la récupération d’énergie, la possibilité de développer des refroidisseurs thermoélectriques à base de silicium, ouvrant la voie à une possible intégration de refroidisseurs thermoélectriques dans des dispositifs micro-électroniques à base de silicium.

Abstract:

The blooming of the internet of things (IoT) and wireless sensors nodes seems to be delayed owing to the lack of reliable, safe and low-cost source [Nordrum 2016]. Thermoelectric harvesters feature those key advantages. Silicon presents the advantages to be most abundant, environmental less harmful and to benefit from facilities and technological processes for low cost thermoelectric harvesters mass production compared to the conventional materials (bismuth telluride alloys). However, silicon is a poor thermoelectric material due to its high thermal conductivity (150Wm^(-1) K^(-1)) [Haras et al. 2015]. The possibility to reduce the thermal conductivity while preserving electrical conductivity and Seebeck coefficient is the key to upgrade silicon as an efficient thermoelectric material. To that end, efforts are oriented towards the phononic part of heat transport, which is the dominant contribution in semiconductors [Jin 2014]. The researches carried out during this thesis dealt with the integration phonon engineered silicon membranes [Haras 2016; Lacatena et al. 2014; Tang et al. 2010; Yu et al. 2010] into thermoelectric harvester demonstrators and their characterizations with respect to the state of the art.

The studies’ results demonstrated the feasibility of a silicon based thermoelectric harvester exhibiting performances sufficient for autonomous sensor nodes’ power supplying [Vullers et al. 2009] and comparable performances with the bismuth telluride state of the art harvester [Bottner 2005] according to the harvesters’ cooling conditions. Moreover, this thesis demonstrated in addition to the energy harvesting, the possibility of developing silicon based thermoelectric coolers, opening the way to possible integration of thermoelectric coolers in silicon based micro-electronic devices.