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Jul 28, 2023

Détermination du coefficient Seebeck provenant du phonon

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13463 (2023) Citer cet article 168 Accès aux détails des métriques L'effet de traînée de phonon est utile pour améliorer les performances thermoélectriques, en particulier la

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13463 (2023) Citer cet article

168 accès

Détails des métriques

L'effet phonon-traînée est utile pour améliorer les performances thermoélectriques, notamment le coefficient Seebeck. Par conséquent, les propriétés de transport des phonons et des électrons des monocristaux de Si à différentes densités de porteurs ont été étudiées et la relation entre ces propriétés et l'effet de traînée des phonons a été clarifiée. Les propriétés de transport des phonons ont été déterminées par nanoindentation et thermométrie par rayonnement chauffant ponctuel. Les propriétés de transport d'électrons ont été déterminées sur la base de la conductivité électrique du Si. Le coefficient diffusif de Seebeck dérivé des propriétés de transport d'électrons était en bon accord avec les rapports précédents. Cependant, la valeur du coefficient Seebeck de traînée de phonon dérivé des propriétés de transport des phonons est très faible. Ce phénomène suggère que les phonons avec un libre parcours moyen (MFP) normal ne contribuent pas à l'augmentation du coefficient de Seebeck ; cependant, les phonons avec un MFP long et une basse fréquence augmentent le coefficient Seebeck via l'effet de traînée des phonons. De plus, l’effet de traînée des phonons était suffisamment prononcé même à 300 K et dans la région fortement dopée. Ces caractéristiques sont essentielles à la conception de matériaux thermoélectriques dotés de performances améliorées dérivées de l’effet de traînée des phonons.

Du point de vue de la récupération d’énergie, l’ingénierie des phonons suscite une attention considérable en raison de la demande croissante de matériaux dotés de propriétés de transfert de chaleur contrôlables1,2,3,4,5. L'analyse théorique est essentielle pour cette réalisation, et comprendre le mécanisme détaillé du transport des phonons est une stratégie efficace pour le développement de matériaux. Ces dernières années, de nombreuses études ont analysé le transport des phonons à travers des simulations6,7,8 ; cependant, il est tout aussi important d’évaluer ces résultats expérimentalement.

Pour certains matériaux utilisant de l'énergie thermique, le transport d'électrons affecte également les performances du matériau. En particulier dans les matériaux de conversion thermoélectrique, la densité de porteurs joue un rôle important dans le transport des électrons9,10,11. Les matériaux thermoélectriques génèrent une puissance thermoélectrique proportionnelle au coefficient Seebeck par le transfert de porteurs de charge dû aux différences de température. Un matériau thermoélectrique idéal présente à la fois une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique ; cependant, au microscope, l'interaction entre les phonons et les porteurs affecte fortement ces conductivités.

Une analyse théorique de l’effet traînée des phonons a également été réalisée pour développer des matériaux à faible conductivité thermique et électrique élevée12,13. En général, la traînée de phonons est un phénomène souvent observé dans des conditions qui facilitent les longs parcours libres moyens (MFP) des phonons, tels que les environnements à basse température et les matériaux de haute pureté. Cependant, il a été rapporté que le Si et les alliages à base de Si présentent des coefficients Seebeck relativement élevés provenant de l'effet de traînée des phonons, même à température ambiante . Par conséquent, pour augmenter les performances thermoélectriques, il est nécessaire d’étudier les propriétés de transport phonon/électron à différentes densités de porteurs et leur impact sur l’effet de traînée des phonons.

Dans cette étude, des monocristaux de Si avec différentes quantités de dopage au phosphore ont été utilisés car les cristaux étaient parfaitement orientés, sans joints de grains, et la densité des porteurs pouvait être facilement modifiée. Pour l'évaluation des propriétés de transport des phonons, nous avons déterminé les vitesses de groupe et la MFP des phonons de divers matériaux à l'aide de mesures de nanoindentation et de conductivité thermique . L'effet sur l'orientation cristalline des monocristaux de Si a été étudié en utilisant la même technique . Par conséquent, cette technique peut être utilisée pour évaluer le transport de phonons dans des monocristaux de Si à différentes densités de porteurs. Les propriétés de transport d'électrons ont été obtenues à partir des conductivités électriques mesurées des monocristaux de Si. La relation entre la densité de porteurs et les propriétés de transport phonons/électrons a été étudiée. Enfin, le phénomène de traînée de phonons a été étudié sur la base des propriétés de transport phonon/électron. Une nouvelle découverte de cette étude est que les phonons avec un libre parcours moyen (MFP) normal ne contribuent pas à augmenter le coefficient de Seebeck, alors que les phonons avec un MFP long augmentent le coefficient de Seebeck via l'effet de traînée des phonons. De plus, l’effet de traînée des phonons était suffisamment prononcé même à 300 K et dans la région fortement dopée. Ces résultats sont importants pour la conception de matériaux thermoélectriques dotés de performances améliorées dérivées de l'effet de traînée des phonons.