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Title

Alta eficiencia termoeléctrica en películas delgadas nanoestructuradas de SIGe, Cu2Se y Ag2Se depositadas por pulverización catódica

AuthorsPérez Taborda, Jaime Andrés
AdvisorMartín-González, Marisol S. ; Briones Fernández-Pola, Fernando
Issue Date28-Sep-2017
PublisherUniversidad Complutense de Madrid
CSIC - Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CNM)
Abstract[ES] Los materiales termoel´ectricos convierten energ´ıa t´ermica en energ´ıa el´ectrica y viceversa. Las ventajas de los materiales termoel´ectricos son que no poseen partes m´oviles, son dispositivos de larga duraci´on, son silenciosos, pueden utilizarse en aplicaciones para enfriar y calentar, y tambi´en pueden emplearse para la recuperaci´on de energ´ıa proveniente del calor residual. En los ´ultimos a˜nos se han propuesto diferentes alternativas prometedoras destinadas a conseguir sistemas con coeficientes zT superiores a 1. Un coeficiente zT de 1 supone una eficiencia de generaci´on de energ´ıa el´ectrica a partir de energ´ıa t´ermica de un 10 % del l´ımite te´orico, dado por el ciclo de Carnot, mientras que un valor de 4 supondr´ıa un 30 %. Para este prop´osito, esto es, estudiar c´omo aumentar la eficiencia termoel´ectrica en distintos materiales, en primer lugar se han obtenido pel´ıculas delgadas de Si0,8Ge0,2 a trav´es de un sistema de pulverizaci´on cat´odica de ultra alto vac´ıo construido para este fin. El primer objetivo ha sido lograr obtener pel´ıculas delgadas de Si0,8Ge0,2 policristalinas con bajos valores de conductividad t´ermica (cercanos a los reportados en la literatura para los nanohilo) y a bajas temperaturas de fabricaci´on. Adicionalmente, un segundo objetivo ha consistido en la fabricaci´on de nanomallas de Si0,8Ge0,2 con un control del tama˜no de poro y del espesor de la nanoestructura. Este nuevo enfoque en la fabricaci´on se realiza en un ´unico paso, sin necesidad de procesos litogr´aficos o tratamientos t´ermicos adicionales. El segundo n´ucleo de estudio en esta tesis doctoral ha estado alrededor de la fabricaci´on de pel´ıculas delgadas de seleniuros de cobre Cu2−xSe y plata Ag2−xSe. Estos materiales han exhibido recientemente prometedores valores de zT, as´ı como algunas propiedades particularmente curiosas, como una conducci´on el´ectrica similar a un l´ıquido i´onico a altas temperaturas. Dentro de esta tesis doctoral, un tercer objetivo ha sido el dise˜no y construcci´on de un sistema para la deposici´on de estos materiales en forma de pel´ıculas delgadas por procesos de sputtering reactivo. De esta forma somos capaces de obtener pel´ıculas con una composici´on bien definida mediante un adecuado control de los par´ametros de crecimiento. Esto nos permite de forma sencilla realizar estudios de la variaci´on de las propiedades con la composici´on del material. Adem´as, nuestro sistema nos permite modificar con gran celeridad los par´ametros de crecimiento, de tal manera que se pueden obtener multicapas que den lugar a procesos de dispersi´on de fonones, reduciendo as´ı la conductividad t´ermica del material (y mejorando por lo tanto el factor zT).
[EN] Thermoelectric materials are those that convert thermal energy into electrical energy and vice-versa. The advantages of thermoelectric devices are many, such as being solid state devices, that is, with no mobile parts and no noise, and they are durable, among others. They can be used in applications for heating and cooling, but more importantly, they can be used to recover wasted heat converting it into electrical energy. In the last years there have been different promising ways of obtaining thermoelectric systems with figures of merit zT higher than 1. A zT of 1 means to have an electric energy generation efficiency from thermal gradients of 10 % of the theoretical limit, which is given by the Carnot cycle, while a value of zT of 4 would mean a 30 % efficiency. In order to study one route of increasing the thermoelectric efficiency of different materials, thin films of Si0,8Ge0,2 have been fabricated with a sputtering system at ultrahigh vacuum, which was constructed specifically to this purpose. The first objective was to obtain polycrystalline thin films of Si0,8Ge0,2 fabricated at low temperatures and with reduced thermal conductivity (with values near the ones reported in literature for nanowires of the same material). Additionally, a second objective consisted in the fabrication of nano-meshes of Si0,8Ge0,2 with controlled pore size and thickness of the nano-structure. This new approach in the fabrication was performed in a single step, without any lithographical process or additional thermal treatments. The second nucleus of this PhD Thesis has been on the fabrication of thin films of copper selenides (Cu2−xSe) and silver selenides (Ag2−xSe). This materials have recently exhibited quite promising values of zT, as well as some quite particular properties, such as an electrical conductivity similar to that of an ionic liquid at high temperatures. In the frame of this PhD Thesis, the design and construction of a system for the deposit of such materials in the form of thin films via reactive sputtering has been also performed. With the aid of this reactive sputtering system we are able to obtain films with a well-defined and controlled composition due to an adequate regulation of the growth parameters. This allows us to perform studies on the different properties of the films as a function of the stoichiometry, for instance. Moreover, with our system one can modify the growth parameters rapidly, which provides a way to obtain multi-layers which provide a higher phonon dispersion and thus, a reduction of the thermal conductivity of the material (which produces a further increase the thermoelectric figure of merit,zT).
DescriptionTesis llevada a cabo para conseguir el grado de Doctor por la Universidad Complutense de Madrid.--2017-09-28
URIhttp://hdl.handle.net/10261/182621
Appears in Collections:(IMN-CNM) Tesis
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