Thèses

Mardi 10 Décembre 2024 à 13h45.

Conductance électronique et effet Seebeck dans des canaux conducteurs implantés sous la surface du diamant

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Directeur de thèse / thesis director :
PAILHÈS Stéphane, Directeur de recherche - Institut Lumière Matière, CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1 (Directeur de thèse)
ADESSI Christophe, Maître de conférences - Institut Lumière Matière, CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1 (Invité / Co-directeur de thèse)
NAIDOO Shunmugam Ramsamy - Institut Lumière Matière, CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1 (Invité / Co-directeur de thèse)

Membres du jury / jury members :
EON David, Maître de conférences, Institut Néel, CNRS, Université Grenoble Alpes, Rapporteur
BARBOT Jean-François, Professeur, Institut Pprime, CNRS, Université de Poitiers, Rapporteur
VAST Nathalie, Directrice de recherche, Laboratoire des Solides Irradiés, CEA, École Polytechnique de Paris, CNRS, Examinatrice
JOURNET Catherine, Professeure, Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces, CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1, Examinatrice

Résumé / Abstract :
Mutual drag effects between electrons and phonons (el-ph) under the effect of a temperature gradient (Seebeck effect) or a charge current (Peltier effect) result from the el-ph interaction that couples their transport equations. These effects are known to exalt the Seebeck coefficient in a temperature range where lattice thermal conductivity is maximal, limiting their interest in thermoelectricity. Recent experimental studies on nanostructured systems have demonstrated the coexistence of low lattice thermal conductivity and a Seebeck coefficient boosted by these drag effects. Theory shows that the phonon states that dominate heat transport may be different from those that couple with electrons. This thesis contributes to the study of these effects at an interface. The systems studied are conductive channels created by ion implantation beneath the diamond surface. My work involved developing the systems, characterizing their structure and setting up protocols for measuring the electronic conductance and Seebeck coefficient. Two regimes of electronic conduction and Seebeck coefficient are observed, depending on the microstructure of the conductive channel controlled by implantation and annealing conditions. For moderate implantation fluences and high-temperature annealing, a band conduction regime with Seebeck coefficient behavior close to that of solid graphite is observed. For low implant fluences and/or low annealing temperatures, the conduction regime is stepwise, with the Seebeck coefficient exhibiting highly anomalous temperature behavior marked by divergence at low temperatures with values reaching several thousand μV/K. Initial theoretical studies of a leakage effect of diamond phonons at the interface with graphite electrons are presented.

Les effets d’entraînement mutuels entre les électrons et les phonons (el-ph) sous l’effet d’un gradient de température (effet Seebeck) ou d’un courant de charge (effet Peltier) résultent de l’interaction électron-phonon qui couple leurs équations de transport. Ces effets sont connus pour exalter le coefficient Seebeck dans une gamme en température où la conductivité thermique de réseau est maximale limitant leur intérêt en thermoélectricité. De récentes études expérimentales sur des systèmes nanostructurés ont démontré la coexistence entre une faible conductivité thermique de réseau et un coefficient Seebeck boosté par ces effets d’entrainements. La théorie montre que les états des phonons qui dominent le transport de la chaleur peuvent être différents de ceux qui se couplent avec les électrons. Cette thèse contribue aux études de ces effets à une interface. Les systèmes étudiés sont des canaux conducteurs crées par implantation ionique sous la surface du diamant. Mon travail a consisté à développer les systèmes, caractériser leur structure et à mettre en place des protocoles de mesure de la conductance électronique et du coefficient Seebeck. Deux régimes de conduction électronique et du coefficient Seebeck sont observés en fonction de la microstructure du canal conducteur contrôlée par les conditions d’implantation et de recuit. Pour des fluences d’implantation modérées et des recuits à haute température, un régime de conduction de bandes avec un comportement du coefficient Seebeck proche de celui du graphite massif est observé. Pour des fluences d’implantation élevées et des températures de recuit basses, le régime de conduction se fait par sauts, le coefficient Seebeck à un comportement en température très anormal marqué par une divergence aux basses températures avec des valeurs atteignant plusieurs milliers de μV/K. Des premières études théoriques d’un effet de fuite des phonons du diamant à l’interface avec les électrons du graphite sont présentées.

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