Vers des métamatériaux thermoélectriques à base de super-réseaux verticaux : principes et verrous technologiques

Metamaterials offer the benefit of obtaining improved physical properties over natural materials. In this work, we explore a new variety of thermoelectric metamaterials based on silicon micro- and nano- structuration, in the form of vertical superlattices for use in energy-related applications. Additionally, we focus on a route towards fabricating these materials using simple and low-cost means compared to prior attempts. The first part of this thesis serves as an introduction to the thermal phenomena which form the basis for electrical conduction and heat dissipation by thermionic emission and phonon scattering at the nanoscale. These principles forms the crux of the device. This section also details the characterization principles and results using the 3ω and 2ω methods for thermal measurement. The second part of this thesis describes both top-down and bottom-up approaches towards fabricating nanoscale superlattices from single-crystalline silicon. The novel proposed vertical architecture raised technological challenges that were tackled through the exploration of original experimental techniques for producing high aspect ratio (HAR) structures in an effective manner and over large surface areas. These techniques include the use of traditional lithography patterning and subsequent extrusion of volumic structures. Additionally, the use of nanofibers and diblock copolymers as templates for further etching of HAR silicon nanostructures are also presented to bring us closer to the ultimate goal of the projectLes méta-matériaux offrent la possibilité d'obtenir des propriétés physiques nettement améliorées en comparaison avec celles des matériaux naturels. Dans ce travail, nous explorons une nouvelle variété de métamatériaux thermoélectriques à base de micro-et nano-structuration du silicium, sous la forme de super-réseaux verticaux, avec comme visée applicative la récupération d'énergie thermique ainsi que le refroidissement. En outre, nous focalisons nos efforts sur une méthodologie expérimentale permettant la réalisation de ces matériaux par des moyens simples et peu coûteux. La première partie de cette thèse sert d'introduction aux phénomènes thermiques qui constituent la base de la conduction électrique et de la dissipation de chaleur dans les nanostructures, respectivement par émission thermo-ionique et par la diffusion de phonons. Cette partie détaille également les principes et résultats de caractérisation thermique à l'aide des méthodes 3ω et 2ω. La deuxième partie de cette thèse décrit les approches de micro- nanostructuration descendante « top-down » et ascendante « bottom-up », en vue de la fabrication de super-réseaux nanométriques sur du silicium mono-cristallin. La nouvelle architecture verticale proposée soulève des défis technologiques qui sont traités à travers l'exploration de techniques expérimentales originales pour produire, d'une manière efficace et sur de grandes surfaces, des structures submicroniques à fort facteur de forme. Ces techniques comprennent l'utilisation de motifs résultant de lithographie traditionnelle combinée à l'extrusion pour en produire des structures volumiques. En outre, l'utilisation de nanofibres et de diblocs copolymères comme nano-motifs géométriques sont également présentés pour nous rapprocher davantage de l'objectif ultime du proje