Soutenance de thèse - Nouredine OUELDNA - Vendredi 19 Novembre 2021 - Élaboration des couches minces thermoélectriques : expérience et modélisation

Avis de soutenance de thèse

Nouredine OUELDNA

soutiendra publiquement au Maroc son travail de thèse de doctorat en cotutelle entre l'université Aix-Marseille et l'université Moulay Ismail (ED-352 Physique et Sciences de la Matière)  intitulé :

Élaboration des couches minces thermoélectriques : expérience et modélisation

Le vendredi 19 novembre à 15 heures.

Faculté des sciences Moulay Ismail au MAROC et en visioconférence

Composition du jury : 

Daoud MEZZANE Rapporteur Professeur des universités, FST/UCA, Marrakech, Maroc.

Mimoun EL MARSSI Rapporteur Professeur des universités, LPMC/UPJV, Amiens, France.

Aboubakr BOUAYAD Rapporteur Professeur des universités, ENSAM/UMI, Meknès, Maroc.

Raphaele DANOIX Examinatrice Maîtres de conférences, GPM/URN, Rouen, France.

Youssef EL AMRAOUI Examinateur Professeur des universités, ENSAM/UMI, Meknès, Maroc.

Abdelkhalek KAMMOUNI Co-directeur de thèse Maîtres de conférences, FS/UMI, Meknès, Maroc.

Alain PORTAVOCE Co-directeur de thèse Directeur de recherche, CNRS/AMU, Marseille, France.

Khalid HOUMMADA Co-directeur de thèse Professeur des universités, IM2NP/AMU, Marseille, France.

Résumé : L’objectif de cette étude est de participer au développement de nouveaux nanomatériaux thermoélectriques (TE) compatibles avec la technologie « complémentaire métal‑oxyde‑semi‑conducteur » (CMOS), afin de développer des composants intégrés permettant de récupérer l’énergie perdue dans les dispositifs de la microélectronique. Le but est de réaliser un film mince de α‑MgAgSb, car ce composé n’est pas toxique et ses éléments ne sont pas rares contrairement aux matériaux à base de Bi et de Te. Les propriétés TE de α‑MgAgSb à l’état massif, notamment au voisinage de la température ambiante, font de ce matériau un matériau très prometteur pour les applications TE.

Ce travail de thèse porte sur l’influence de la méthode d’élaboration par pulvérisation cathodique sur les températures de transition des phases Mg‑Ag‑Sb en film mince, ainsi que sur la microstructure des films, en lien avec leurs propriétés TE. Les mesures in situ ont permis de connaître la microstructure des films et de déterminer la séquence et les températures de formations des phases.

Nos résultats montrent que l’utilisation d’une cible alliée (Mg_1/3Ag_1/3Sb_1/3) ne permet pas d’obtenir un film homogène de α‑MgAgSb. La formation de α est accompagnée des phases secondaires Ag₃Sb et Sb qui détériorent les propriétés TE du film. Cependant, il est possible de supprimer la formation de Ag₃Sb grâce à la co‑pulvérisation de trois cibles pures Mg, Ag et Sb, dans des conditions d’élaboration optimisées. De plus, il est aussi possible de former α‑MgAgSb par diffusion réactive entre Ag₃Sb et Mg₃Sb₂.

Ces études montrent que les proportions des phases présentes dans les films affectent fortement le coefficient de Seebeck effectif (S) des films. Cependant, le rôle des interfaces entre les grains nanométriques de ces phases sur le S du film est négligeable. Nos observations in situ montrent que les transitions de phases a‑vers‑b, b‑vers‑γ et a‑vers‑γ ne sont pas allotropique comme généralement admis. Ces trois phases possèdent des compositions différentes et ne sont pas stœchiométriques.

Mots clés : α‑MgAgSb, Thermoélectricité, Coefficient de Seebeck, Films minces, Pulvérisation cathodique, Diffraction des rayons X in situ, Transition de phases.

Abstract

The goal of the present study is to participate to the development of new thermoelectric nanomaterials (TE) compatible with the “complementary metal‑oxide‑semiconductor” (CMOS) technology, allowing integrated components able to use lost thermal energy in integrated circuits to power microelectronic devices to be developed. Unlike bismuth and tellurium based materials, the compound α‑MgAgSb is made of nontoxic and abundant elements. The TE properties of bulk α‑MgAgSb, especially at room temperature, were shown to be very promising for TE applications.

The goal of this PhD work is to investigate the possibility of producing α‑MgAgSb thin films using the CMOS‑compatible sputtering deposition technique. The influence of the elaboration method on the Mg‑Ag‑Sb phase transitions in thin films as well as on the film microstructure is investigated in relation with the film TE properties. In situ measurements allowed the microstructure of the film to be determined as well as the phase formation sequence and the transition temperatures.

The results show that the use of an alloyed target (Mg_1/3Ag_1/3Sb_1/3) does not allow a homogeneous α‑MgAgSb film to be produced. The formation of the phase α is always accompanied with the formation of the secondary phases Ag₃Sb and Sb that deteriorate the film TE properties. However, it is possible to suppress the formation of Ag₃Sb by co‑sputtering three pure targets Mg, Ag, and Sb, using optimized sputtering conditions. Furthermore, we show that α‑MgAgSb can be also produced by reactive diffusion between Ag₃Sb and Mg₃Sb₂.

This study shows that the proportion of the different phases in the films strongly affects the effective Seebeck coefficient (S) of the films. However, the contribution of the interfaces between the nanometric grains of these phases on S is negligible. Contrasting with the general assumption, our in situ observations indicate that the a‑to‑b, b‑to‑γ, and a‑to‑γ phase transitions are not allotropic. These three phases have different compositions and are non‑stoichiometric.

Keywords: α‑MgAgSb, Thermoelectricity, Seebeck coefficient, Thin films, Magnetron sputtering, in situ X‑ray diffraction, Phase transition.