Thermal characterization of Si-based nanostructures

Resumo

La termoelectricitat és una tecnologia prometedora per recol·lectar energia a partir de diferències de temperatura ambientals. El desenvolupament de materials més eficients que converteixin calor en electricitat d’aquesta manera és necessari per obrir nous espais d’aplicació. S’ha demostrat que nanoestructurar un material és una bona manera d’augmentar la figura de mèrit termoelèctrica a materials cristal·lins per mitjà d’una reducció en la conductivitat tèrmica a causa d’un nombre major de col·lisions de fonons. Aquesta tesi té com a objectiu entendre millor processos que afecten el transport tèrmic a materials basats en silici. Al Capítol 1, una introducció general exposa la necessitat de reduir el consum de combustibles fòssils i en general de fer ús d’energies renovables. També, es raona el benefici de poder alterar les propietats tèrmiques d’un material per millorar l’administració de calor en certs sistemes. Al Capítol 2 es fa un resum de la teoria rere el transport tèrmic. Primer, es deriva l‘equació del calor a través del marc de la termodinàmica clàssica i s’introdueixen els fonons com a quasipartícules que transporten calor. L’aplicació de l’equació de transport de Boltzmann sobre electrons i fonons permet entendre l’efecte de diferents mecanismes de col·lisió a la figura de mèrit dels materials, la qual cosa permet raonar vàries estratègies per millorar-la. Al Capítol 3 es desenvolupen les eines necessàries per mesurar la conductivitat tèrmica de nanomaterials. Primer es preparen 2 criòstats i els seus sistemes de control i després s’explica el desenvolupament de 3 sensors. Les estructures suspeses permeten mesurar la conductivitat en membranes i nanofils. S’explica la seva fabricació i es fa un anàlisi exhaustiu de funcionament i d’incerteses. El mètode 3? s’introdueix per mesurar la conductivitat a capes primes (en direcció perpendicular al pla) i a materials macroscòpics. Es demostra l’origen del voltatge 3? i es relaciona amb aquestes conductivitats. Finalment es desenvolupa el sensor de 3?-Völklein per caracteritzar la conductivitat en el pla de capes primes mentre s’estan creixent. Al Capítol 4 es mesura la conductivitat tèrmica de membranes de Si i es troba la reducció esperada pels efectes de mida, així com efectes de confinament a la membrana de 17.5 nm de gruix. A més s’optimitza la nanolitografia per FIB sobre les membranes amb un estudi sistemàtic, tot trobant una resolució de 200 nm amb una dosi de 50 ?C/cm2. Al Capítol 5 s’estudia la conductivitat tèrmica de nanofils porosos de Si amb diferents porositats, longituds i mides. Es troba una tendència de la conductivitat amb el diàmetre dels fils que suggereix que el nucli dels fils és menys porós que la closca. La conductivitat del silici estructural resulta ser 50 vegades menor que la del Si macroscòpic, prometent una bona figura de mèrit. Al Capítol 6 es mesura la conductivitat tèrmica d’unes superxarxes de SiGe novedoses, les quals consten de períodes amb gradients de concentració. Mostren conductivitats molt reduïdes, per sota de la capa prima d’aliatge. La mesura de la superxarxa més gruixuda confirma l’absència d’efectes de coherència dels fonons. Al Capítol 7 es mesura la conductivitat tèrmica d’una membrana de nitrur de silici mentre es dipositen capes de TPD (vidre orgànic) i Indi. Els resultats mostren una reducció inicial en la conductància que no es pot explicar per la llei de Fourier, i que és deguda a l’augment de col·lisions difusives entre els fonons i les vores de la capa. Aquest efecte pot ser extrapolat a altres nanomaterials termoelèctrics, reduïnt la seva conductivitat. També es monitoritza la dinàmica de creixement d’ambdós materials a través de la seva senyal en conductància. Thermoelectricity is a promising technology for scavenging energy from environmental temperature differences. The development of materials that transform heat into electricity in a more efficient way making use of this principle is necessary for opening new application niches. Nanostructuring a material has been demonstrated to increase the thermoelectric figure of merit of crystalline materials via a thermal conductivity reduction driven by enhanced phonon scattering. This thesis is committed to give a better insight into the processes that affect thermal transport in potential Si-based nanomaterials for thermoelectric generation. In Chapter 1, a general introduction exposes the need for reducing fossil fuel consumption and generally using renewable energies. Also, the benefit of tuning the thermal conductivity of materials for thermal management applications is discussed. Chapter 2 provides an overview of the theory behind thermal transport. First, the heat equation is derived from the classical irreversible thermodynamics framework. Then, phonons are introduced as heat carrying quasiparticles. The application of the Boltzmann Transport Equation to both phonons and electrons allows understanding the effect of different scattering mechanisms on the thermoelectric properties of materials. Finally, several strategies for enhancing the figure of merit of materials are reviewed. In Chapter 3, the necessary tools for measuring the thermal conductivity of nanomaterials are developed. Two cryostats are set up along with the temperature control systems that allow measuring at stable temperatures. Later, three sensors are developed for measuring the thermal conductivity of different materials. First, suspended structures intended for measuring the in-plane thermal conductivity of suspended membranes and nanowires are fabricated, and the errors and uncertainties produced in such measurements are characterized. Second, the 3? method is introduced, allowing the measurement of the out-of-plane thermal conductivity in thin films. The emergence of the 3? voltage is demonstrated, and the relation between this voltage and the thermal conductivity of the substrate and the thin-film is found. Finally, a sensor for the 3?-Völklein method is developed, which allows characterizing the in-plane thermal conductivity of thin-films during the layer growth. In Chapter 4, the thermal conductivity of suspended Si membranes is measured, finding the expected reduction in thermal conductivity due to phonon surface scattering, as well as confinement effects in the 17.5 nm thick membrane. Moreover, the nanopatterning of these Si membranes with focused ion beam (FIB) is optimized through a systematic study of its amorphization finding an optimal spatial resolution of 200 nm when using 50 ?C/cm2. In Chapter 5, the thermal conductivity of porous Si nanowires is studied for wires with different porosity, length and diameters, showing an unexpected dependence on its diameter that suggests that the wire core is generally less porous than the shell. The structural Si thermal conductivity is found to be one fiftieth of that of the bulk, promising a good thermoelectric figure of merit. In Chapter 6, the thermal conductivity of a novel SiGe graded superlattice is measured, showing a considerable reduction in its thermal conductivity, even below the thin-film alloy limit. The measurement of the thickest superlattice confirms the absence of coherent phonon effects. In Chapter 7, the thermal conductance of a suspended SiNx membrane is measured with a high precision while depositing on it organic (TPD) and metallic (Indium) materials. The results show an initial conductance reduction that cannot be explained with the Fourier law. This reduction is found to be related to an increased diffusive boundary scattering, which could be easily extrapolated to other thermoelectric nanomaterials, reducing their thermal conductivity. Also, the growth dynamics of both materials are characterized through their signal in the conductance.