Synthèse et caractérisation de nanocomposites à base de silicium ou de germanium mésoporeux carbonisés pour des applications thermoélectriques

Abstract

Le graphène est un matériau ayant un fort potentiel pour la microélectronique mais également pour de nombreuses applications telles que la filtration de l’eau ou la détection. Les applications l’utilisant restent, cependant, faibles et limitées par son caractère 2D et sa synthèse délicate. En effet, certaines applications nécessitent de grandes surfaces spécifiques soit un ratio surface sur volume élevé. Pour cela, l’intégration du graphène dans des nanostructures a été développée afin d’ouvrir la voie vers de nouvelles applications grâce à la rupture de son utilisation de façon planaire. De plus, les nanostructures de semiconducteurs offrent des propriétés intéressantes de par leurs dimensions nanométriques mais également grâce aux propriétés intrinsèques du matériau de base employé.

D’autre part, les demandes en énergie sont de plus en plus croissantes et l’utilisation d’objets connectés et de capteurs répartis dans notre environnement nous conduisent au développement de sources d’énergie autonomes. Ces sources peuvent être diverses telles que le solaire, l’éolien ou encore la thermoélectricité. Cette dernière permet la conversion d’un flux de chaleur, issu de chaleur perdue ou d’un gradient de température créé de l’environnement, en énergie électrique.

Les nanostructures sont très prometteuses pour les applications thermoélectriques grâce au découplage des propriétés électrique et thermique. Ainsi, la modification de chacune de ces propriétés permet d’accroître l’efficacité des matériaux pour la thermoélectricité. Dans ce projet, une synthèse du dépôt direct de graphène sur des structures mésoporeuses semiconductrices sans catalyseur a été développée. De plus, l’étude de l’apport du graphène déposé aux propriétés électrique et thermoélectrique du silicium et germanium mésoporeux sera faite. De ce fait, l’association de nanostructures de semiconducteurs, synthétisées par gravure électrochimique, et de graphène, déposé par dépôt chimique par infiltration en phase vapeur (CVI), ouvre la voie à de nombreuses applications de par les propriétés hybrides obtenues et la forte surface spécifique mais également grâce à la modification des propriétés électrique et thermique pour la thermoélectricité. Enfin, cette association fait appel à des procédés pouvant être intégrés dans les lignes de fabrication de microélectronique favorisant son utilisation pour les objets connectés et capteurs.

Abstract: Study of graphene-mesoporous silicon or germanium nanocomposites for thermoelectric applications Graphene is a highly valued material in microelectronics but also for a broad array of other applications, such as water filtration or detection. However, current graphene-based applications remain few and are mostly limited by its 2D characteristics. Difficulty in synthesizing large areas also limits broad use. Indeed, some applications require a high specific surface area or a high surface/volume ratio to be viable. To this end, the integration of 2D-graphene into 3D nanostructures was developed, giving rise to new applications. Through their intrinsic properties, semiconductor nanostructures offer interesting characteristics, along with their nanometric dimensions. As the Internet of Things continues to grow at an impressive pace, the energy demands linked to its deployment and wide penetration impose the development of autonomous energy sources. These sources could be of various types, such as solar, wind, or thermoelectricity. The last one converts a heat flow into electric energy. Considering the staggering amount of energy being lost in the form of heat around us, the ability to harvest some of that energy and transform it into useful electricity is of great importance. That is what thermoelectricity does. Nanostructures are very promising for thermoelectric applications because some of them effectively separate electrical and thermal properties due to quantum confinement effects. By changing its internal morphology at the nanometer scale, it is possible to improve the efficiency of a given material used for thermoelectric conversion. In this project, the two subjects discussed above will be combined to improve the performance of a thermoelectric device. 2D graphene will be embedded into a nanostructured, or mesoporous semiconductor. Consequently, the association of semiconductors nanostructures synthesized using electrochemical etching, and graphene integrated via chemical vapor infiltration, opens the path to the number of applications due to the effective synthesis of a hybrid material, whose morphological, electrical, and thermal properties are more optimal for thermoelectricity. The proposed approach is also compatible with standard semiconductor fabrication processes, which could be integrated into microelectronic manufacturing lines that support the development of the internet of things objects and sensors.