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

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

1 NEEL - TPS - Thermodynamique et biophysique des petits systèmes
2 SiNaps - Silicon Nanoelectronics Photonics and Structures
3 SP2M - UMR 9002 - Service de Physique des Matériaux et Microstructures

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 being in consequence reduced. The diverse implications on thermoelectric properties will be eventually discussed.

Reduction du libre parcours moyen des phonons : de la physique des basses températures aux applications en thermoélectricitésthermoélectricitésà l'ambiante. Il a ´ eté proposé depuis longtemps maintenant que dimi-nuer la conductivité thermique en réduisant le libre parcours moyen des phonons est une des meilleures facons 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 différentesmanì eres d'augmenter la diffusion des phonons des basses températures jusqu'` a température ambiante. Il est montré qu'en jouant sur la géométrie (constriction, structures périodiques, nano-inclusions), ` a partir de la limite balistique jusqu'` a la limite diffusive, le transport thermique phononique peutêtrepeutêtre de facon significative altéré dans des structures monocris-tallines semiconductrices ; le libre parcours moyen des phononsétantphononsétant réduit en conséquence. Enfin, les diverses implications sur les propriétés thermoélectriques seront discutées.

Mots clés: phonon; thermoélectricité; thermoelectricity; transport thermique; thermal transport; semiconducteur; semiconductor; nanowire; inclusions; nanofil; inclusions Mots-clés : phonon

Domaines: Systèmes mésoscopiques et effet Hall quantique [cond-mat.mes-hall]; Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Olivier Bourgeois, Dimitri Tainoff, Adib Tavakoli, Yanqing Liu, Christophe Blanc, et al.. Reduction of phonon mean free path: from low temperature physics to room temperature applications in thermoelectricity. Comptes Rendus. Physique, 2016, Thermoelectric mesoscopic phenomena / Phénomènes thermoélectriques mésoscopiques, 17 (10), pp.1154-1160. ⟨10.1016/j.crhy.2016.08.008⟩. ⟨hal-01416034⟩