Couches minces thermoélectriques Mg2(Si,Sn) déposées par co-pulvérisation assistée par plasma micro-onde Codrin Prahoveanu1,2,3, Laetitia Laversenne2,3, Cédric de Vaulx4, Kamel Azzouz4, Stéphane Béchu1, Ana Lacoste1   1LPSC, Université Joseph Fourier Grenoble 1, CNRS/IN2P3, Grenoble INP, 53 rue des Martyrs, 38026 Grenoble, France 2Univ. Grenoble Alpes, Inst NEEL, F-38042 Grenoble, France 3CNRS, Inst NEEL, F-38042 Grenoble, France 4Valeo Thermal Systems, 8 rue Louis Lormand, BP 517 La Verrière, 78321 Le Mesnil Saint Denis Cedex, France codrin.prahoveanu@lpsc.in2p3.fr Contexte Pour des applications thermoélectriques dans la gamme de température 500-850 K, les solutions solides Mg2(Si,Sn) sont considérées comme des matériaux prometteurs en raison de: - facteur de puissance élevé (> 4 WK-2m-1) [1] - coefficient Seebeck élevé ( - 170 µVK-1) [2] - conductivité thermique basse ( ~2 WK-1m-1) [3] Méthode de synthèse Dépôt par co-pulvérisation assistée par plasma micro-onde Paramètres contrôlés - Les tensions de polarisation appliquées sur les cibles - La distance entre les cibles et le substrat - La pression d’Ar dans la chambre de déposition - La puissance du plasma micro-onde - La température et la polarisation du substrat Substrat Sources plasma Flux de Ar, H2 Pompage Polarisation DC Cibles Polarisation RF Principal avantage - Contrôle indépendant des tensions de polarisation appliquées au substrat, aux cibles et à l’alimentation des sources micro-ondes, ce qui permet un contrôle précis de la stoechiométrie de la couche mince Objectif: Faisabilité d'un module thermoélectrique miniaturisé basé sur des couches minces Mg2(Si,Sn) Etudier les propriétés thermoélectriques des solutions solides Mg2(Si, Sn) sous forme de couches minces Examiner la stabilité thermique du matériau 4. Le premier TT agit comme recuit de la couche mince avec séparation de phases. substrat Ni Résultats 1. Des solutions solides de composition contrôlée ont été déposées sous la forme de couches minces de quelques µm d'épaisseur. La structure cristalline est soit cubique, soit une phase métastable. substrat SiO2/Si 5. TT prolongé à 700 K ou TT à 850 K conduit à: - La décomposition de la solution solide Mg2(Si,Sn) - La réaction chimique de la couche mince avec les substrats (SiO2, verre, Ni) SiO2/Si TT 850K substrat 2. Le traitement thermique (TT) à 700 K de couches minces Mg2(Si,Sn) déposées sur un substrat SiO2/Si à température ambiante conduit à la délamination de la couche mince. 3. Amélioration de l’adhérence apportée par: - Augmentation de la température de substrat - Choix de substrats appropriés en termes de CDT (Ni, verre) SiO2/Si TT 700K verre 6. La solution solide Mg2(Si,Sn) est thermiquement stable jusqu’à 650 K pour des traitements thermiques prolongés (jusqu’à h) 7. Mesures de propriétés de transport à la température ambiante: - Conductivité électrique (104 Ω-1m-1, comparable avec des matériaux massifs non-dopé) - Coefficient Seebeck (80-110 µV/K, indication d'un matériau de type p) Conclusions Des couches minces thermoélectriques Mg2(Si,Sn) ont été déposées par co-pulvérisation assistée par plasma micro-onde. Les propriétés d’adhérence des couches minces Mg2(Si,Sn) sur le substrat après les traitements thermiques (700 K) sont contrôlées par la modification du processus de dépôt (la température de substrat et/ou le type de substrat). Les couches minces déposées présentent une structure cristalline métastable ou la phase cubique régulière, alors que les traitements thermiques suivants (à des températures relativement basses) conduisent à un mélange de 2 solutions solides. La décomposition de la solution solide Mg2(Si,Sn) et sa réaction avec les substrats ont été observées pour différentes températures et durées de traitement, ce qui suggère une utilisation limitée de ces matériaux à des températures plus basses que prévu (pas plus élevées que 650 K). Les propriétés de transport ont été étudiées: la conductivité électrique est comparable à celle des matériaux massifs et le coefficient Seebeck est caractéristique d'un matériau de type p. Pour plus d’information: C. Prahoveanu, A. Lacoste, S. Béchu, C. de Vaulx, K. Azzouz, L. Laversenne, Investigation of Mg2(Si,Sn) thin films for integrated thermoelectric devices, Journal of Alloys and Compounds, soumis 2014. [1] W. Liu, X. Tan, K. Yin, H. Liu, X. Tang, J. Shi, Q. Zhang, C. Uher, Physical Review Letters, vol. 108, p. 166601, 2012 [2] W. Liu, Q. Zhang, X. Tang, H. Li, J. Sharp, Journal of Electronic Materials, vol. 40, no. 5, p. 1062, 2011 [3] Z. Du, T. Zhu, X. Zhao, Materials Letters, vol. 66, p. 76-78, 2012