Elaboration et caractérisation thermoélectrique de fines couches de polysilicium nanostructuré par anodisation

Durant la dernière décennie, le marché de l’internet des objets (IoT) s’est développé de façon quasi exponentielle. La question énergétique est devenue l’un des enjeux majeurs pour les IoTs mais aussi, plus largement, pour tous les microsystèmes. Toutes les solutions innovantes et respectueuses de l’environnement pour récupérer l’énergie jouent désormais un rôle stratégique dans le développement de ces nouvelles technologies et même font l’objet de travaux de recherche et de publications de plus en plus importants. L’abondance de la chaleur qui représente l’énergie sous sa forme la plus dégradée – toute énergie tend à devenir de la chaleur – donne un intérêt particulier à la thermoélectricité. Pour les applications miniatures, l’effet thermoélectrique (TE) a été jusqu’alors principalement exploité dans les capteurs thermiques ou dans les détecteurs infrarouges, où il favorise des sensibilités élevées malgré le faible rendement de conversion.

L’efficacité de conversion des matériaux TE, utilisés dans les thermogénérateurs classiques, est directement liée à leur facteur de mérite adimensionnel   (où est la conductivité électrique, a le pouvoir thermoélectrique et la conductivité thermique du matériau TE). Ces propriétés physiques dépendent de manière opposée de la densité de porteurs et de la température, ce qui complique l’optimisation de leur performance. Les principales pistes étudiées pour l’amélioration de ces matériaux ont recours à la nanostructuration, en particulier pour réduire la composante phononique de la conductivité thermique. L’utilisation de nanostructures, de systèmes de faible dimensionnalité ou de structuration nano-composite permet de confiner le transport thermique des phonons en 2D ou voire même quasi-1D.

Les travaux effectués à l’IEMN, dans le domaine de la thermoélectricité, ont permis de développer une nouvelle méthode pour fabriquer de fines couches de polysilicium nanostructuré, isolées électriquement de leur substrat silicium. Les caractérisations ont montré que la porosification des couches de polysilicium (POpSi) réduit drastiquement leur conductivité thermique sans impacter leur pouvoir thermoélectrique. Cette amélioration de la composante thermique surcompense la dégradation de la conductivité électrique et permet ainsi une augmentation de 25 fois du facteur de mérite (pour une couche de POpSi avec une porosité de 44%, ZT ~ 0.1). Les simulations, sous COMSOL 3D® montrent que l’intégration de telles couches dans des thermogénérateurs planaires réalisées sur membranes suspendues (technologies IEMN) permettraient une augmentation de 30 % de leur rendement de conversion.

Flow chart of the porous polysilicon layer (a to d) and plated thermocouple strip (f)

Katir Ziouche, Ibrahim Bel-Hadj and Zahia Bougrioua
Nano Energy, 80 (2021) 105553, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105553