Soutenance de thèse le 14 Avril 2021 de M. Stefano Magagna : « Thermoelectric nanostructured silicon obtained by Metal-Assisted-Chemical-Etching »
Annonce de soutenance de thèse
M. Stefano Magagna
« Thermoelectric nanostructured silicon obtained by Metal-Assisted-Chemical-Etching »
Thèse en cotutelle entre AMU et l’Université de Milano-Bicocca
Mercredi 14 Avril 2021 à 14h30
La soutenance aura lieu en visioconférence depuis Milan. Il est possible d’y assister par l’intermédiaire de ce lien :
https://unimib.webex.com/unimib/onstage/g.php?MTID=ec06153348a216693f5a4110fb35427b2
Jury :
Christian SEASSAL, Ecole Centrale de Lyon
Emiliano BONERA, Università Milano-Bicocca
Adèle SASSELLA, Università Milano-Bicocca
Ahmed CHARAI, Aix-Marseille Université
Antonio PEREIRA GONCALVES, University of Lisbon, Rapporteur
Neophytos NEOPHYTOU, The University of Warwick, Rapporteur
Dario NARDUCCI, Università Milano-Bicocca, Directeur de Thèse
Claude ALFONSO, Aix-Marseille Université, Directrice de Thèse
Résumé :
La nécessité de trouver des sources d’énergie inépuisables et de combattre le réchauffement climatique font partie des défis les plus complexes que l’humanité doit affronter.
Les solutions le plus pertinentes consistent à améliorer l’efficacité énergétique des systèmes de production et à réduire les pertes d’énergie. En effet, près de 60 % de l’énergie produite dans le monde est gaspillée sous forme de chaleur. La possibilité de récupérer même une petite quantité de cette énergie gaspillée pourrait conduire à une diminution importante des émissions de gaz à effet de serre.
Dans ce contexte, le développement de systèmes basés sur l’effet thermoélectrique, extrêmement utiles pour récupérer la chaleur et la convertir en électricité utilisable, peut contribuer à la réalisation d’un monde plus durable.
Ces travaux de thèse de doctorat sont axés sur la nanostructuration du silicium, matériau non toxique et abondant. En raison de sa conductivité thermique élevée, le silicium massif ne convient pas à l’application thermoélectrique. Mais, sa nanostructuration offre des moyens innovants de réduire sa conductivité thermique et ouvre de nouvelles opportunités pour son utilisation comme matériau thermoélectrique.
La méthode de nanostructuration du silicium, et en particulier de formation de nanofils (NWs) de silicium développée dans ce travail de thèse est la « Metal-assisted Chemical Etching » (MaCE). Au cours de la procédure MaCE traditionnelle, un substrat de silicium, partiellement recouvert d’un métal noble, est soumis à un agent de gravure composé de HF et d’un agent oxydant. Le procédé est basé sur l’oxydation locale du silicium, catalysée par les particules de métal noble, et sur l’élimination du dioxyde de silicium généré par l’acide fluorhydrique. Le métal noble choisi dans ce travail est l’argent, nous parlons donc de SaCE (Silver-assisted Chemical Etching). Malgré sa simplicité apparente, la dépendance du procédé SaCE avec le dopage du Si (type et niveau de dopage) ainsi que la température est plutôt complexe.
Dans la première partie de cette thèse, le mécanisme du SaCE, une méthode en une étape choisie pour la production des NF de Si sera présenté. En particulier, les résultats d’une analyse approfondie de l’interaction entre le niveau de dopage et le type de silicium, la morphologie des NWs et les paramètres contrôlant la chimie de
SaCE sera détaillée. La morphologie typique des NF obtenus par SaCE est représentée sur la figure 2. Le SaCE se produit sur la surface du substrat à la suite de l’extrusion de Si par pénétration de particules d’Ag qui provoque la formation de « flocons » de Si à l’interface entre la solution externe et le substrat. Ici, la gravure se produit en fait par oxydation électrochimique de Si mettant en jeu deux ou quatre électrons. La surface des NF peut être poreuse ou cristalline selon le procédé électrochimique prédominant. La prévalence du processus à deux ou quatre électrons est liée à la résistivité du matériau et donc à la tension détectée par le silicium. Le processus à deux électrons prédomine à de faibles tensions pour Si conducteur, fortement dopé, et conduit à la formation de NWs poreux en surface. Le processus à quatre électrons est observé pour Si faiblement dopé et conduit à des NWs entièrement cristallins.
Le SaCE est ensuite utilisé pour la fabrication d’un métamatériau nanophononique (NPM). Ce matériau est une superposition d’un réseau de nanopiliers de silicium et d’une couche mince de silicium. Les NPM permettent de coupler la résonance locale avec les mécanismes de transport de phonons conduisant à une diminution de la conductivité thermique par réduction de la vitesse de groupe, la localisation de mode et le couplage phonon-vibron sur tout le spectre, ce qui est très différent des techniques conventionnelles. Cela offre l’avantage de découpler la conductivité électrique (contrôlée par dopage et morphologie de la membrane) de la conductivité thermique (contrôlée par la présence des nanopiliers). Des NPM avec différentes épaisseurs de membrane sont caractérisés électriquement et thermoélectriquement et leurs propriétés sont comparées à celles de la plaquette utilisée comme substrat pour la production de NPM. On montre que les MNP conservent les propriétés du substrat initial, tant en termes de conductivité électrique que de coefficient de Seebeck. Ce résultat est remarquable puisque cela prouve que même une gravure longue et agressive comme le SaCE ne modifie ni n’altère la qualité du cristal et les propriétés du silicium.
Enfin, une nouvelle structure, composée exclusivement de NWs i.e. exempte de tout substrat, est présentée. Il s’appelle Si « nanofelt » (NF) et est également produite par SaCE.
Bien que ces résultats soient préliminaires, la possibilité d’éviter toute contribution du substrat fait des NF un nouveau type de structure qui mérite d’être étudiée plus en détails pour le développement de nouveaux matériaux thermoélectriques à base de Si NWs.
