Jury :

Masahiro NOMURA, Professeur, Tokyo-University, Japan, Rapporteur

Nicolas STEIN, Maître de conférences, Institut Jean Lamour, Nancy, Rapporteur

Olivier BOURGEOIS, Directeur de Recherche CNRS, Institut Néel, Grenoble, Examinateur

Sylvie HEBERT, Directrice de Recherche CNRS, CRISMAT, Caen, Examinatrice

Katir ZIOUCHE, Professeur, IUT Université de Lille, Lille, Examinateur

Nolwenn FLEURENCE, Ingénieur R&D, LNE, Trappes, Invitée

Jean-François ROBILLARD, Enseignant-Chercheur, Junia, Lille, Directeur de thèse

Emmanuel DUBOIS, Directeur de recherche CNRS, Lille, Directeur de thèse

Résumé :

En thermoélectricité, les nanostructures de silicium représentent une alternative intéressante aux matériaux thermoélectriques conventionnels en raison de leur abondance, de leur caractère non toxique et de leur compatibilité avec la technologie CMOS. Les chercheurs ont étudié différentes méthodes visant à améliorer le facteur de mérite zT du silicium en augmentant le rapport σ/κ ; en diminuant la conductivité thermique κ en utilisant (i) des structures nanométriques telles que des membranes minces ou des nano-fils, (ii) en utilisant la rugosité de surface, (iii) en procédant à une oxydation de la surface, ce qui permet d’obtenir une faible valeur de κ. Cependant, peu de mesures expérimentales de zT sur des nano-objets en silicium cristallin ont été présentées, et ces données présentent une dispersion importante. Habituellement, le facteur de mérite est obtenu par une mesure indépendante des propriétés de transport des matériaux (κ, σ et S). L’incertitude de zT peut facilement atteindre 50 %, étant donné que chaque paramètre présente une incertitude de 5 % à 20 %. La technique de Harman est une méthode simple et rapide pour mesurer directement zT dans les matériaux bulk. Cette thèse propose une adaptation de la technique de Harman transitoire pour les nano-membranes cristallines suspendues. Un facteur de correction est introduit pour prendre en compte les effets du rayonnement, des résistances de contact et du chauffage par effet Joule. De plus, une mise en œuvre du dispositif est présentée, permettant d’accéder directement à zT par des mesures purement électriques, éliminant ainsi le besoin de mesures séparées des paramètres de transport. De plus, des dispositifs élémentaires sont examinés pour déterminer les propriétés thermiques du silicium, notamment la conductivité thermique, le coefficient de Seebeck et la conductivité électrique. Le coefficient Seebeck mesuré, montrant une similitude avec le Si bulk près de la température ambiante, soulève une question fondamentale concernant les contributions relatives de la diffusion des électrons et du transport des phonons.

Abstract :

In thermoelectricity, silicon nanostructures represent an interesting alternative to conventional thermoelectric materials due to Si abundance, non-toxic nature, and its compatibility with CMOS technology. Researchers have investigated methods to enhance the silicon figure of merit zT by increasing the σ/κ ratio; decreasing the thermal conductivity κ by (i) using nanometric structure such as thin membranes or nanowires, (ii) roughening, (iii) oxidization of the surface achieved relatively low value of κ. Yet, few experimental measurements of zT in crystalline silicon nano-objects were presented with important data dispersion. Usually, the thermoelectric figure of merit is obtained through independent measurement of materials transport properties (κ, σ and S). The uncertainty of zT can easily reach 50% considering that each parameter has an uncertainty of 5% to 20%. Harman’s technique is a simple and rapid method to measure zT directly in bulk materials. This thesis proposes an adaptation of the transient Harman technique for suspended crystalline nano-membranes. A correction factor is introduced to account for radiation, contact resistances, and Joule heating effects. Furthermore, a device implementation is presented, enabling direct access to zT through purely electrical measurements, eliminating the need for separate measurements of transport parameters. Additionally, elementary devices are examined to determine the transport properties of silicon, including thermal conductivity, Seebeck coefficient, and electrical conductivity. The measured Seebeck coefficient, showing similarity to Bulk Si near room temperature, raises a fundamental question concerning the relative contributions of electron diffusion and phonon transport.