Semiconductor nanostructures for thermal and thermoelectric applications
L’efecte termoelèctric permet la conversió directa de calor en electricitat i viceversa. Així, l’efecte termoelèctric es pot aprofitar en generadors termoelèctrics, capaços d’extreure energia tèrmica de fonts calentes i convertir-la en electricitat. Aquests generadors presenten grans avantatges, com...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2022 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/688085 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/688085 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Micro generador termoelèctric Miro generador termoeléctrico Micro thermoelectric generator Nanoestructures de silici Nanoestructuras de silicio Silicon nanostrucutres Nanotecnologia Nanotecnología Nanotechnology Ciències Experimentals 00 |
| Sumario: | L’efecte termoelèctric permet la conversió directa de calor en electricitat i viceversa. Així, l’efecte termoelèctric es pot aprofitar en generadors termoelèctrics, capaços d’extreure energia tèrmica de fonts calentes i convertir-la en electricitat. Aquests generadors presenten grans avantatges, com l’absència de peces mòbils –i, en conseqüència, els baixos requeriments de manteniment–i la seva fàcil escalabilitat, que permet modificar-ne la mida sense afectar el rendiment. Això els converteix en candidats evidents per alimentar i carregar dispositius portàtils i de difícil accés, com ara dispositius portàtils o nodes de sensor per a Internet de les coses. Malgrat això, actualment el seu ús no està molt estès perquè els millors materials candidats es basen en elements cars i tòxics com els tel·lúrurs de bismut. Tanmateix, els nanomaterials tenen propietats termoelèctriques millorades en comparació amb els seus homòlegs macroscòpics. D’aquesta manera, gràcies a la nanoestructuració, es poden actualitzar materials a granel ineficients però de baix cost, com el silici, que és barat per la seva abundància. L’objectiu principal d’aquesta tesi és la fabricació de dispositius termoelèctrics d’alta eficàcia basats en silici. Els dispositius proposats es fabriquen mitjançant tecnologies de micromecanització de silici i es basen en silici nanoestructurat i aliatges de silici com a materials termoelèctricment actius. El principal enfocament seguit en aquesta tesi es basa en l’ús de nanofils de silici i silici-germani cultivats mitjançant el mètode de deposició química vapor-líquid-sòlid. Aquests nanofils s’integren horitzontalment en microestructures basades en tecnologies de fabricació de sistemes micro electromecànics de convecció. En el marc de l’estratègia d’integració horitzontal, s’han fabricat microdispositius de prova ad-hoc. Aquests dispositius es van utilitzar per caracteritzar nanofils individuals mitjançant mètodes electrotèrmics (AC i DC) per estimar la conductivitat tèrmica dels nanofils. També es preveuen i es posen a prova enfocaments complementaris basats en la microscòpia tèrmica d’exploració de força atòmica, tant en ambients d’aire com de buit. Tots els procediments de caracterització realitzats en aquests dispositius van ser passos essencials per demostrar el potencial dels materials basats en silici nanoestructurats com a opció realista per a la fabricació de generadors termoelèctrics. A continuació, es van provar generadors microtermoelèctrics de 7×7 mm², concebuts per alimentar petits circuits integrats, sota règims de funcionament realistes, és a dir, agafant calor d’una superfície calenta controlada a través del dispositiu cap a l’ambient circumdant. Aquests microgeneradors amb nanofils de silici optimitzats van mostrar el potencial de produir desenes de microwatts a temperatures superficials moderades, per sota dels 100 °C. Aquest valor es troba dins del rang de consum dels circuits integrats de baixa potència. Una tecnologia alternativa explorada en aquesta tesi es basa en l’ús de teixits basats en nanotubs de silici policristalí per a la conceptualització i prova de sensors de gas autoalimentats. La deposició selectiva d’una capa de catalitzador permet reaccions exotèrmiques localitzades a la superfície del metamaterial. Aquestes reaccions generen un gradient tèrmic que es pot quantificar elèctricament gràcies a l’efecte termoelèctric. |
|---|