Thermal characterization of Si-based nanostructures
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 dem...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2016 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:174000 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/174000 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Termoelectricitat Conductivitat tèrmica Materials nanoestructurals |
| Sumario: | 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 3ω s'introdueix per mesurar la conductivitat a capes primes (en direcció perpendicular al pla) i a materials macroscòpics. Es demostra l'origen del voltatge 3ω i es relaciona amb aquestes conductivitats. Finalment es desenvolupa el sensor de 3ω-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 μC/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. |
|---|