Study of electrodeposited nanowires of Bi2-xSbxTe3 and Bi2Te3-xSex , and their integration into thermoelectric devices.
Etude de nanofils électrodéposés de Bi2-xSbxTe3 et Bi2Te3-xSex et de leur intégration dans des modules thermoélectriques
Résumé
This work is a collaboration between STMicroelectronics-Rousset and Néel Institute. The purpose is to explore the potential of thermoelectric nanowires based on (Bi, Sb, Te, Se) to convert heat to electricity at ambient temperature. The final aim is to develop miniaturised and autonomous sources to power the connected devices. On the other hand, low dimensional materials are interesting due to the possibility of ZT enhancement by thermal conductivity reduction and their easy integration into microdevices.
In this context, thermoelectric nanowires of (Bi2Te3-xSex) for n-type and (BixSb2-xTe3) for p-type have been electrodeposited into nanoporous alumina templates. Structural and thermoelectric properties have been characterized. To characterize electrical transport properties, a new method has been developed based on direct measurement by nanoprobing on single nanowire embedded on the growth matrix. Thermal conductivity was also investigated using the 3 method. N-type nanowires exhibits low resistivity of about 0,3 mΩ.cm² which is lower than bulk materials and calculated ZT reached 0,12. The
second part of this work concerned the optimization of contact resistance (thermoelectric / metal) and assembly of n and p-type nanowires arrays on rigid and flexible substrates. Results confirm the possibility of development of thermoelectric modules based on nanowires in their membranes. The maximum generated power is estimated to reach 56,5 μW using only three legs.
Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre STMicroelectronics-Rousset et l’institut Néel. L’objectif est d’explorer le potentiel de nanofils de matériaux thermoélectriques à base de (Bi, Sb, Te, Se) pour la conversion de la chaleur en puissance électrique au voisinage de la température ambiante. L’enjeu est de développer des sources de puissance électrique miniaturisées et autonomes pour alimenter les objets connectés.
De plus, les matériaux thermoélectriques de basse dimensionnalité suscitent un grand intérêt. Ils devraient en effet conduire à une diminution de la conductivité thermique et pourraient être utilisés dans des micro-dispositifs. Dans ce contexte, les travaux de recherche ont été en premier lieu d’optimiser la croissance par voie électrochimique de réseaux de nanofils thermoélectriques de type n (Bi2Te3-xSex) et de type p (BixSb2-xTe3) dans des membranes d’alumine nanoporeuses. La structure de ces nanofils a été caractérisée et corrélée à leurs propriétés thermoélectriques. Parmi les techniques utilisées pour les mesures des performances thermoélectriques de ces structures 1D, une nouvelle méthode de caractérisation du transport électrique sur fil unique dans sa membrane par « nanoprobing » a été développée. La conductivité thermique a aussi été estimée sur des fils dans leurs membranes avec la méthode 3. Les nanofils de type n présentent des résistivités plus faibles que le massif de l’ordre de 0,3 mΩ.cm² avec un ZT de 0,12. Le deuxième volet de ces travaux a porté sur la réalisation de prototypes de thermogénérateurs à base de réseaux de nanofils sur des substrats rigides et souples avec une optimisation des résistances de contact électrique (métal / thermoélectrique). Les résultats montrent que l’utilisation de nanofils dans leur membrane est tout à fait envisageable pour le développement de thermo-générateurs dont la puissance maximale est estimée à 56,5 μW avec seulement trois jambes.