Élaboration de super-réseaux de boîtes quantiques à base de SiGe

Les matériaux nanostructurés

L’intérˆet de la nanostructuration

Après avoir connu une période de stagnation depuis les années 60, la recherche en thermoélectricité a connu un nouvel essor au début des années 90, en particulier grˆace aux prédictions théoriques de Hicks et Dresselhaus relatives à une très forte augmentation du facteur de puissance σS2 grˆace à des effets quantiques dans les structures de basse dimensionnalité telles que les puits quantiques [8] et les nanofils [9]. Divers travaux, principalement théoriques, sont venus appuyer ces prédictions. En outre, de nombreuses études, théoriques et expérimentales, ont permis de démontrer que la nanostructuration permettait de réduire significativement la conductivité thermique [27, 31]. L’augmentation du facteur de puissance La nanostructuration permet en théorie une augmentation significative du facteur de puissance liée à des effets de taille quantiques. Prenons le cas des semi-conducteurs dégénérés. Nous avons indiqué que le coefficient Seebeck pouvait ˆetre approché par la relation de Mott (cf. équation 1.38). Or, nous savons que σ s’exprime en fonction de la mobilité des porteurs µ et de leur concentration n : σ(E) = µ(E)n(E)e (1.42) Il vient alors : S = π 2 3 kB e kBT  » 1 µ(EF )  ∂µ(E) ∂E  EF + 1 n(EF )  ∂n(E) ∂E  EF # (1.43) 

Le choix des super-réseaux de boîtes quantiques à base de Si1−xGex

Nous avons montré qu’il existait une grande variété de matériaux thermoélectriques et en avons donné un aperçu. Dans le cadre de cette thèse, nous avons choisi de nous intéresser plus particulièrement aux super-réseaux de boîtes quantiques à base de Si1−xGex. Nous allons tˆacher, dans la suite, de justifier ce choix.

Intérˆet particulier des couches minces

Les super-réseaux de boîtes quantiques font partie de la famille des films minces. Ces derniers correspondent à des épaisseurs très faibles de matériaux, comprises entre quelques monocouches atomiques et quelques micromètres, déposées sur des substrats généralement de nature différente et d’épaisseur beaucoup plus importante (quelques centaines de micromètres). En raison de cette architecture particulière, les couches minces sont destinées à des applications spécifiques, très différentes de celles auxquelles se destinent les matériaux thermoélectriques massifs. Prenons l’exemple d’un dispositif thermoélectrique à base d’une couche mince dans une géométrie verticale (cf. figure 3.1). La faible épaisseur des éléments du dispositif ainsi créé ne permet pas, dans le cas général, de maintenir des écarts de température élevés et donc, d’engendrer beaucoup de puissance, quand bien mˆeme le matériau thermoélectrique à la base du dispositif serait d’excellente qualité [20]. Par ailleurs, la solution consistant à augmenter la densité surfacique de thermoéléments n’en est pas réellement une, comme nous avons déjà eu l’occasion de le souligner au paragraphe 1.5.4.2. Pour des applications « haute puissance », les matériaux massifs sont donc à privilégier. En revanche, les modules thermoélectriques en couches minces sont particulièrement adaptés dans le domaine de la micro-génération de puissance pour de faibles écarts de température (de l’ordre de quelques K) dans des espaces de dimensions réduites. La densité de puissance fournie dépend de la qualité du matériau thermoélectrique, des contacts électriques, de l’échangeur thermique et du dimensionnement du système dans son ensemble mais est typiquement de l’ordre de quelques dizaines de µW.cm−2 [38]. Ces générateurs miniaturisés peuvent servir par exemple à alimenter des réseaux de capteurs sans fils, éventuellement en complémentarité avec des micro-batteries si la puissance fournie est insuffisante. Il est également possible d’envisager des applications de réfrigération thermoélectrique localisée dans des composants micro-électroniques. La gestion de la chaleur est en effet de plus en plus problématique dans les circuits intégrés en raison de la réduction des dimensions [39, 40]. Des points chauds (> 100 ◦C) peuvent apparaître à certains endroits de la puce, accélérant les processus d’électro- migration et provoquant des défaillances plus rapides du système. Shakouri a montré que des dispositifs thermoélectriques, basés sur un matériau de ZT égal à 0,5, pouvaient par exemple fournir un refroidissement maximal de 20 à 30 ◦C sur des points chauds (1000 W.cm−2 ) de quelques dizaines de micromètres de diamètre [41]. Plus récemment, Chowdhury et al. ont pu démontrer expérimentalement un refroidissement ciblé de 15 ◦C sur une région dégageant un flux de chaleur de 1300 W.cm−2 à partir d’un dispositif thermoélectrique à base de Bi2Te3 en super-réseau [42]. A défaut de ` pouvoir refroidir les points chauds, il peut ˆetre intéressant de connaître localement la température afin de mieux dimensionner le système dans son ensemble. Dans cette optique, des dispositifs thermoélectriques à base de couches minces peuvent servir de capteurs de flux thermique. L’avantage principal de ce type de capteurs est qu’il s’agit par nature de composants passifs, ne consommant pas de ressources supplémentaires. De plus, l’intégration d’une densité de jonctions élevée, rendue possible par les technologies de la micro-électronique, permet d’obtenir une bonne sensibilité en tension pour de faibles variations de température, quoique inférieure à celle obtenue pour des composants actifs [43]. Enfin, les couches minces présentent l’avantage bien particulier de pouvoir se comporter comme des systèmes modèles. Les techniques d’épitaxie permettent en effet d’élaborer des matériaux sans défauts, pouvant servir à valider expérimentalement des concepts théoriques plus facilement qu’il n’est possible de le faire avec des matériaux massifs, par nature imparfaits.