Thèse Optimisation de la Synthèse et Caractérisation de Matériaux Semi-Conducteurs Hybrides Sige et Intégration dans des Micro Dispositifs Thermoélectriques à Moyenne Gamme de Température H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université d'Orléans
École doctorale : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
Laboratoire de recherche : GREMI - Groupe de Recherches sur l'Energie des Milieux Ionisés
Direction de la thèse : Arnaud STOLZ ORCID 0000000159525918
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les alliages Si-Ge mésoporeux présentent un grand intérêt dans les applications thermoélectriques en microélectronique, grâce à leur structure unique qui permet de contrôler la conductivité électrique et thermique de manière indépendante et ainsi maximiser la figure de mérite thermoélectrique ZT. Un groupe du MIT avait démontré par des calculs combinés de dynamique moléculaire et de structures électroniques à partir de postulats fondamentaux [APL 95, 013106 (2009)] que le germanium nanoporeux pouvait présenter une figure de mérite thermoélectrique de l'ordre de ZTmax = 0,83 qui est plus d'un ordre de grandeur supérieur à celles des matériaux standards (par exemple ZTmax du Si massif de 0,003 et ZTmax du Ge massif 0,026). Des effets de nanostructuration et de traitement de surface ont déjà permis d'améliorer le facteur ZT sur le silicium mésoporeux par l'insertion d'une couche de nanographène (CVD haute température) comme rapporté dans la thèse de Sibel Nar soutenue en 2023 (cotutelle Université d'Orléans - Université de Sherbrooke).

A partir des résultats de cette dernière thèse, il est apparu intéressant d'étudier un superalliage SixGe1-x pour des applications en récupération d'énergie par thermoélectricité. Le travail à effectuer consistera en premier lieu à réaliser la synthèse de couche d'alliages SixGe1-x par CVD ; plusieurs compositions (x = 0,3 ; 0,5 ; 0,8) sont déjà envisagées. Les couches minces obtenues seront nanostructurées par porosification électrochimique ; technique largement maîtrisée au LN2. Il s'agira d'adapter des protocoles déjà validés pour le silicium et le germanium aux alliages. A ce stade, il conviendra d'évaluer le potentiel thermoélectrique des superalliages nanostructurés en fonction de leur stoechiométrie et de la distribution en taille des mésopores. Enfin, comme dans le cas du silicium mésoporeux, l'insertion de nanographène sera conduite pour évaluer l'apport potentiel de ce nanocomposite sur les propriétés thermoélectriques. Les différents matériaux obtenus seront caractérisés en termes de structure à différentes échelles (DRX, MEB, XRR, Raman, etc.) et de chimie (XPS, Raman, etc.).

Les premiers tests thermoélectriques effectués au GREMI sur les matériaux de Sherbrooke sont très prometteurs (thèse de Sibel Nar soutenue en 2023). La présente demande de thèse permettra d'aller plus loin dans l'étude d'un alliage SiGe complexe du point de vue de l'élaboration et la porosification, mais également du point de vue métrologique les applications de récupération de chaleur fatale dans la gamme des température moyenne (300 à 600 K). En particulier l'évaluation des grandeurs intrinsèques comme la conductivité électrique, thermique et le coefficient de Seebeck seront l'objet de cette étude. L'objectif sera de comprendre les liens entre les conditions de synthèse, la structure à l'échelle microscopique de ces matériaux et leurs propriétés thermoélectriques, dans une optique d'optimiser la récupération d'énergie dans différents environnements industriels. Au sein des deux entités, le doctorant bénéficiera de deux environnements de travail complémentaires scientifiquement, différents structurellement mais avançant ensemble dans une thématique commune autour de l'énergie. Il est important de noter que ces filières matériaux restent abondantes, durables et ne nécessitent pas de terres rares.

Il s'agit d'une problématique multidisciplinaire en ingénierie des matériaux et microtechnologie. Elle s'inscrit dans le projet du laboratoire GREMI sur les thématiques de récupération d'énergie d'un point de vue défi sociétal ; ou sur les procédés de surface et la métrologie d'un point de vue scientifique. La problématique de l'efficacité énergétique - ici de la récupération d'énergie par la chaleur - est bien inscrit dans les orientations du Centre d'excellence en efficacité énergétique (C3E) au Québec pour lequel la Métropole d'Orléans et l'université d'Orléans sont aujourd'hui associées.