Caractérisation thermique de nanofils de silicium pour des applications à la thermoélectricité

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Sous la direction de Stefan Dilhaire
Thèse soutenue le 23 novembre 2010: Bordeaux 1
Le développement récent des nanotechnologies a apporté un renouveau dans le domaine de recherche de la thermoélectricité. Ces dernières années, de nombreux travaux théoriques et expérimentaux ont montré qu’il était possible d’améliorer grandement le facteur de mérite ZT en utilisant des structures semi-conductrices de basse dimensionnalité. Plus particulièrement, les nanofils de Silicium ont été présentés comme de bons candidats pour des applications thermoélectriques. De nombreuses études ont effectivement souligné le fait qu’il est possible de réduire la conductivité thermique au sein des nanofils sans altérer le transport électrique, ce qui va bien évidemment dans le sens d’une amélioration du facteur de mérite. Cependant, il existe peu d’études expérimentales permettant de confirmer ces affirmations. Ici, nous proposons des expériences de microscopie thermique à balayage permettant d’effectuer de l’imagerie thermique de nanofils individuels avec une résolution spatiale de l’ordre de 100nm. A partir des images réalisées et d’un modèle décrivant le comportement thermique de la sonde utilisée, nous déterminons la conductivité thermique des nanofils caractérisés. La technique de mesure proposée est actuellement la seule permettant d’effectuer une mesure thermique statistique sur un grand nombre de nanostructures de type nanofil. Nous validons également la faisabilité d’une mesure de conductivité électrique de nanofils individuels par une technique de microscopie de résistance d’étalement. La conductivité électrique est également un paramètre déterminant, à prendre en compte dans l’évaluation du facteur de mérite thermoélectrique.
-Thermoélectricité
-Nanofils
-Si
-SiGe
-Cvd
-Vls
-Gravure catalytique
-Afm
-SThM
-Conductivité thermique
-Phonon
The recent development of nanotechnologies is like a revival for the field of research on thermoelectricity. Over the past decade, several studies have underlined the fact that the thermoelectric figure of merit can be drastically enhanced in low dimensional semiconductor systems. In particular, silicon nanowires have been recently presented as good candidates for thermoelectric applications. Although bulk silicon is a poor thermoelectric material, by greatly reducing thermal conductivity without much affecting the electrical resistivity, Si nanowires show promise as high-performance thermoelectric materials. However, the experimental investigations on this topic do not abound in literature. Here, we propose experiments based on Scanning Thermal Microscopy which allows us to carry out thermal images of individual Si nanowires with a spatial resolution around 100 nm. Then, a model describing the SThM probe thermal behavior enables us to extract thermo-physical properties from the thermal images and finally to evaluate the thermal conductivity of the individually imaged Si nanowires. The technique proposed here is a promising one to perform statistical thermal conductivity measurements on a wide range of one-dimensional nano-objects with different compositions and geometries. Besides, we validate the feasibility of electrical conductivity measurements on individual Si nanowires, using Scanning Spreading Resistance Microscopy. Electrical conductivity is also a key parameter to determine the thermoelectric figure of merit.
-Thermoelectricity
-Nanowires
-Si
-SiGe
-Cvd
-Vls
-Electroless etching
-Afm
-SThM
-Thermal conductivity
-Phonon
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14110/document
Publié le : lundi 19 mars 2012
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Nombre de pages : 162
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N° d’ordre : 4110
Thèse
Présentée à
L’université de Bordeaux1
Ecole Doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur
Par Etienne PUYOO
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : Laser, Matière et Nanosciences


Caractérisation thermique de nanofils de silicium pour
des applications à la thermoélectricité


Soutenue le 23 Novembre 2010
Après avis de :
Rapporteur Karl Joulain Professeur, Université de Poitiers
Pascal Vairac , Université de Besançon Rapporteur
Devant la commission formée de :
Lionel Canioni Professeur, Université Bordeaux 1 Président
Examinatrice Séverine Gomès Chargée de recherche, CNRS Lyon
Examinateur Olivier Bourgeois Chargé de recherche, CNRS Grenoble
Emmanuelle Rouvière Chef de laboratoire, CEA Grenoble Encadrante
Directeur Stefan Dilhaire Professeur, Université Bordeaux 1
Invité Stéphane Grauby Maître de conférences, Université Bordeaux 1









A Sandra et Léon






























Remerciements


Tout d’abord, je tiens à remercier Messieurs Jean-Marie Turlet et Eric
Freysz, directeurs successifs du CPMOH, pour la confiance qu’ils m’ont accordée
en m’accueillant dans le laboratoire. Mes remerciements vont ensuite à Monsieur
Frédéric Gaillard pour m’avoir accueilli, à mi-parcours, au sein du Département
des Technologies des NanoMatériaux du CEA Liten.

J’adresse mes sincères remerciements à M. Lionel Canioni, qui a accepté
de présider le jury de soutenance et également à M. Karl Joulain et M. Pascal
Vairac, qui m’ont fait l’honneur d’être les rapporteurs de ce manuscrit. Je
remercie également Mme Séverine Gomès et M. Olivier Bourgeois d’avoir
examiné ce travail et participé au jury de thèse.

J’aimerai remercier tout particulièrement Stefan Dilhaire pour avoir pris la
direction de ma thèse. Son esprit critique, ses précieux conseils et son humour
m’ont permis de mener à bien l’ensemble de mes travaux dans la bonne humeur.
Je suis également reconnaissant à mon encadrante CEA, Emmanuelle Rouvière,
pour la confiance qu’elle m’a accordée, sa réactivité et son efficacité dans les
moments critiques. Malgré sa prise de fonction en tant que chef du Laboratoire
des Composants pour la Récupération d’Energie, elle a toujours été présente pour
répondre à mes attentes et besoins.

Mes remerciements vont ensuite aux membres du groupe de
PhotoThermique des Microsystèmes et Nanomatériaux du CPMOH. Un grand
merci à Jean-Michel Rampnoux pour m’avoir initié au domaine de
l’instrumentation. On peut difficilement trouver meilleur enseignant que Jean-
Michel dans ce domaine. Un grand merci également à Stéphane Grauby pour son
aide précieuse dans la rédaction des articles. Les longs échanges que nous avons
eus par téléphone m’ont ouvert l’esprit et permis de prendre du recul par rapport à
mes travaux. Je remercie également mes deux amis thésards : Gilles (très mauvais
joueur en général, surtout aux fléchettes) et Gaétan (dit « le métronome »). Je
garderai longtemps en mémoire tous ces grands moments de
détente quotidienne. Enfin, je remercie Luis, Amine, Adile, Frédéric et Hélène
avec qui j’ai eu le plaisir d’échanger au cours de ma première année de thèse.

Mes remerciements vont également à plusieurs membres du LCRE, sans
qui l’élaboration des dispositifs à base nanofils n’aurait pu être réalisée. Un grand
merci à Christine, Séverine, Pascal, Michel, Vincent et Jérôme pour leur aide
précieuse. Mes remerciements vont aussi à Nicolas Chevalier et Denis Mariolle du
Leti, pour leur aide et leur savoir-faire dans le développement des expériences de
SSRM. Enfin, je remercie mes nombreux collègues des équipes Photovoltaïque et
Thermoélectricité qui ont rendu très agréables ces 18 derniers mois de thèse.
Merci à Flore, Gaëlle, Vasiliki, Audrey, Pascale, Christelle, Lionel, Hakim, Nico,
Joël, Amy, Simon, David K., David H., Mathieu, Guillaume, Tristan, Chandan et
Zhao.

D’un point de vue plus personnel, je tiens à remercier mes parents, « les
Dominiques », qui m’ont toujours soutenu dans mes choix et motivé au cours de
mes études. Merci également à mon grand frère Vincent qui a été, et demeure un
exemple pour moi.

Enfin, je dédie ce travail à ma compagne Sandra qui m’a donné le plus bel
enfant qui soit, Léon.





















Table des matières

Liste des abréviations 1

Introduction Générale 3

Chapitre 1 : Contexte et état de l’art 7

Introduction 8

1.1 Thermoélectricité 8
1.1.1 Effets Thermoélectriques 8
1.1.2 Conversion de l’énergie 12
1.1.3 Facteur de mérite thermoélectrique 13
1.2 Intérêt des structures à basse dimensionnalité 14
1.2.1 Renouveau de la thermoélectricité 14
1.2.2 Augmentation du facteur de puissance 15
1.2.3 Réduction de la conductivité thermique 17
1.2.4 Conclusion 20
1.3 Intérêt particulier des nanofils de silicium 21
1.3.1 Transport thermique au sein du silicium massif 21
1.3.2 Transport thermique au sein des nanofils de silicium 24
1.3.3 Application à la thermoélectricité 27
1.3.4 Conclusion 30
1.4 Technique de mesure des propriétés thermiques de structures 1D 30
1.4.1 Micro-montage en suspension 30
1.4.2 Limites actuelles de l’expertise sur les nanofils 32
1.4.3 Objectif principal de la thèse 34

Conclusion 35

Bibliographie 36

Chapitre 2 : Fabrication des dispositifs à nanofils de silicium 41

Introduction 42

2.1 Approche bottom-up : croissance CVD 42
2.1.1 Le dépôt chimique en phase vapeur 42
2.1.2 Principe du mécanisme VLS 43
2.1.3 Croissance de nanofils dopés 45
2.1.4 Conclusion 47 2.2 Approche Top-Down : gravure humide du silicium 47
2.2.1 Principe de la réaction catalytique de gravure 47
2.2.2 Préparation du masque 50
2.2.3 Dépôt du catalyseur 52
2.2.4 Gravure du silicium 53
2.2.5 Réduction de la taille des motifs 55
2.2.6 Gravure de nanofils de SiGe 58
2.2.7 Conclusion 61
2.3 Préparation des dispositifs de test 62
2.3.1 Dispositifs à nanofils gravés 62
2.3.2 Dispositifs à nanofils obtenus par CVD 64

Conclusion 65

Bibliographie 66

Chapitre 3 : Microscopie thermique à balayage 69

Introduction 70

3.1 Présentation du SThM 70
3.1.1 Principe de fonctionnement du SThM 70
3.1.2 Module d’acquisition du signal 73
3.1.3 La sonde thermo-résistive 75
3.1.4 Conclusion 77

3.2 Etalonnage de la sonde hors contact 78
3.2.1 Obtention des courbes expérimentales 78
3.2.2 Modèle de la sonde hors contact 81
3.2.3 Ajustement des courbes d’étalonnage 87
3.2.4 Conclusion 91

3.3 La mesure en contact 92
3.3.1 Modèle de la sonde en contact 92
3.3.2 Transferts thermiques de la sonde vers l’échantillon 93
3.3.3 Mesure du rayon d’échange thermique 96
3.3.4 Conclusion 99

Conclusion 100

Bibliographie 101

Chapitre 4 : Caractérisation des dispositifs 103

Introduction 104

4.1 Imagerie thermique de nanofils obtenus par croissance 104
4.1.1 Imagerie thermique sous air 104 4.1.2 Imagerie thermique sous vide 111
4.1.3 Conclusion 118

4.2 Imagerie thermique de nanofils obtenus par gravure 118
4.2.1 Imagerie de nanofils à base de Si 118
4.2.2 Imagerie de nanofils à base de SiGe 125

4.3 Imagerie électrique par SSRM 129
4.3.1 Principe de la mesure SSRM 129
4.3.2 Evaluation d’une résistivité électrique moyenne 131
4.3.3 Conclusion et perspectives 133

Conclusion 135

Bibliographie 136

Conclusion générale 139

Annexes 141

Annexe 1 : Courbes de sensibilité paramétrique 143
Annexe 2 : Isolation thermique des nanofils 147
Annexe 3 : Paramètre adimensionnel de constriction ψ 149































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