Thermal conductivity measurements with nanoscale resolution by scanning thermal microscopy

Abstract

Esta tesis presenta un estudio del comportamiento de la disipación del calor en la nanoescala, a través de un análisis local de la conductividad térmica en estructuras con alta respuesta termoeléctrica, en diversas geometrías como materiales en película continua o nanoporosas. Los materiales termoeléctricos se definen como aquellos que se pueden utilizar para transformar una diferencia de temperatura en electricidad y viceversa. Esto es conocido como efecto Seebeck. En su caso análogo, es posible producir una diferencia de temperatura si se aplica electricidad a un dispositivo basado en materiales termoeléctricos, este es conocido como efecto Peltier. Típicamente, estos materiales deben exhibir altos valores de conductividad eléctrica (σ) y coeficiente de Seebeck (S) en una relación que se conoce como factor de potencia. El desacople de estas propiedades se centra en la necesidad de tener la conductividad térmica (κ) más baja posible para mejorar la eficiencia termoeléctrica, que se describe mediante su figura de mérito T , donde 𝑇 es la temperatura de operación, la contribución del fonón o red a la conductividad térmica y la contribución electrónica. Las aleaciones metálicas y algunos semiconductores han sido históricamente los materiales termoeléctricos más utilizados. Sin embargo, estos materiales (típicamente en volumen) presentan altos valores en transporte eléctrico y electrónico, al igual que son buenos conductores térmicos. Las estrategias para mejorar la eficiencia termoeléctrica incluyen romper o desacoplar los parámetros de transporte eléctricos, electrónicos y de fonones, por ejemplo, mediante el dopaje de semiconductores. Otro enfoque se basa en materiales en volumen con alta conductividad eléctrica y, a través de su nanoestructuración, se pueden aumentar los límites de grano en el material, reduciendo así su conductividad térmica. Por lo tanto, los mecanismos de dispersión de fonones inducidos por las impurezas del dopaje o por los límites de grano pueden reducir la conductividad térmica de la red, mientras que las propiedades eléctricas pueden conservarse o incluso incrementarse. Sin embargo, el desafío está en contar con métodos especializados que permitan caracterizar estas propiedades de transporte térmico con una resolución lateral en la nanoescala de estas estructuras, permitiendo detallar claramente estas interfases y la influencia de estas geometrías complejas en la conductividad térmica. Durante el desarrollo de esta tesis doctoral se implementó y optimizó la técnica de microscopía térmica de barrido (SThM por sus siglas en ingles). Este SThM, denominado 1ω,3ω-SThM, trabaja con las señales de frecuencia del primer armónico (1ω), que puede utilizarse para obtener información sobre la disipación de calor local o la distribución de temperatura de una muestra, y el tercer armónico (3ω), utilizado para extraer datos cuantitativos sobre la conductividad térmica. Las mediciones se realizaron en condiciones atmosféricas de laboratorio y el escaneo de la superficie del material se realizó con microscopía de fuerza atómica (AFM) para adquirir imágenes topográficas y térmicas simultáneamente. Las imágenes térmicas, adquiridas con una alta resolución espacial y térmica, se utilizaron para estudiar el transporte de calor local. La conductividad térmica de diferentes muestras se analizó mediante métodos experimentales, analíticos y numéricos. Estas muestras fueron las películas termoeléctricas de telururo de bismuto (Bi2Te3), seleniuro de cobre (Cu2Se) y seleniuros de plata (Ag2Se y Ag2-xSe). Además, también se analizaron nanomallas de (Si0.8Ge0.2) y membranas nanoporosas de óxido de aluminio anódico (AAO) utilizadas como sustrato de materiales termoeléctricos