Reduction of phonon mean free path: From low-temperature physics to room temperature applications in thermoelectricity

Olivier Bourgeois; Dimitri Tainoff; Adib Tavakoli; Yanqing Liu; Christophe Blanc; Mustapha Boukhari; André Barski; Emmanuel Hadji

doi:10.1016/j.crhy.2016.08.008

Thermoelectric mesoscopic phenomena / Phénomènes thermoélectriques mésoscopiques

Reduction of phonon mean free path: From low-temperature physics to room temperature applications in thermoelectricity
[Reduction du libre parcours moyen des phonons : de la physique des basses températures aux applications en thermoélectricité à l'ambiante]

Olivier Bourgeois ^1,² ; Dimitri Tainoff ^1,² ; Adib Tavakoli ^1,² ; Yanqing Liu ^1,² ; Christophe Blanc ^1,² ; Mustapha Boukhari ³ ; André Barski ³ ; Emmanuel Hadji ³

¹ Institut Néel, CNRS, 25, avenue des Martyrs, 38042 Grenoble, France
² Université Grenoble Alpes, Inst Néel, 38042 Grenoble, France
³ Institut Nanosciences et Cryogénie, SP2M, CEA-UJF, 17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 17 (2016) no. 10, pp. 1154-1160.

Résumé
Abstract

Il a été proposé depuis longtemps maintenant que diminuer la conductivité thermique en réduisant le libre parcours moyen des phonons est une des meilleures façons d'améliorer les performances actuelles des matériaux thermoélectriques. En mesurant la conductance thermique et la conductivité thermique de nanofils et de couches minces, nous montrons différentes manières d'augmenter la diffusion des phonons des basses températures jusqu'à la température ambiante. Il est montré qu'en jouant sur la géométrie (constriction, structures périodiques, nano-inclusions), à partir de la limite balistique jusqu'à la limite diffusive, le transport thermique phononique peut être altéré de façon significative dans des structures monocristallines semiconductrices, le libre parcours moyen des phonons étant réduit en conséquence. Enfin, les diverses implications sur les propriétés thermoélectriques seront discutées.

It has been proposed for a long time now that the reduction of the thermal conductivity by reducing the phonon mean free path is one of the best way to improve the current performance of thermoelectrics. By measuring the thermal conductance and thermal conductivity of nanowires and thin films, we show different ways of increasing the phonon scattering from low-temperature up to room-temperature experiments. It is shown that playing with the geometry (constriction, periodic structures, nano-inclusions), from the ballistic to the diffusive limit, the phonon thermal transport can be severely altered in single crystalline semiconducting structures; the phonon mean free path is in consequence reduced. The diverse implications on thermoelectric properties will be eventually discussed.

Publié le : 2016-08-23

DOI : 10.1016/j.crhy.2016.08.008

Keywords: Phonon, Thermal transport, Thermoelectricity, Semiconductor, Nanowire, Inclusions
Mot clés : Phonon, Transport thermique, Thermoélectricité, Semiconducteur, Nanofil, Inclusions

Affiliations des auteurs :

Olivier Bourgeois ^{1, 2} ; Dimitri Tainoff ^{1, 2} ; Adib Tavakoli ^{1, 2} ; Yanqing Liu ^{1, 2} ; Christophe Blanc ^{1, 2} ; Mustapha Boukhari ³ ; André Barski ³ ; Emmanuel Hadji ³

¹ Institut Néel, CNRS, 25, avenue des Martyrs, 38042 Grenoble, France
² Université Grenoble Alpes, Inst Néel, 38042 Grenoble, France
³ Institut Nanosciences et Cryogénie, SP2M, CEA-UJF, 17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble, France

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Olivier Bourgeois; Dimitri Tainoff; Adib Tavakoli; Yanqing Liu; Christophe Blanc; Mustapha Boukhari; André Barski; Emmanuel Hadji. Reduction of phonon mean free path: From low-temperature physics to room temperature applications in thermoelectricity. Comptes Rendus. Physique, Volume 17 (2016) no. 10, pp. 1154-1160. doi : 10.1016/j.crhy.2016.08.008. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2016.08.008/

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