Medidas de transporte térmico de materiales termoeléctricos mediante la técnica fotoacústicadel material en volumen a la nanoescala

Resumen

El objetivo de este trabajo de doctorado consistió en la implementación de la técnica fotoacústica, una herramienta muy poderosa para determinar la difusividad térmica de los materiales. Esta tesis puede dividirse en dos secciones principales: i) el diseño del montaje, implementación y calibración, y ii) medidas de las propiedades térmicas de diferentes tipos de materiales con aplicaciones en la termoelectricidad. La mayor motivación para implementar esta técnica se basa en la importancia de las propiedades térmicas en una amplia variedad de aplicaciones desde gestión térmica en electrónica, industria espacial o medicina, hasta conversión de energía mediante el efecto termoeléctrico. La termoelectricidad consiste en la habilidad de los materiales de convertir diferencias de temperaturas en electricidad y viceversa, de modo que el calor residual podría ser recuperado y reutilizado. La eficiencia de estos materiales está directamente relacionada con la conductividad eléctrica y el coeficiente Seebeck, e inversamente relacionada con la conductividad térmica. La caracterización de la conductividad térmica es por tanto crítica para evaluar a un material como un candidato prometedor en la termoelectricidad. Además, ha sido comprobado cómo la eficiencia termoeléctrica mejora por la reducción de la conductividad térmica debida a la dispersión de fonones por el efecto del tamaño nanométrico. Por consiguiente, la determinación de las propiedades térmicas de estos materiales nanoestructurados es crucial. Para este propósito se han desarrollado métodos de calentamiento de no contacto, los cuales permiten evitar las resistencias térmicas de contacto, uno de los grandes inconvenientes de muchas de las técnicas de medida de propiedades térmicas. Las técnicas de calentamiento en modo no-contacto se basan normalmente en el fenómeno fototérmico, donde el calor es generado por una radiación incidente. En el caso de la técnica fotoacústica, una radiación incidente modulada incide en la muestra por lo que la superficie se calienta y enfría y por tanto, el aire en contacto se expande y contrae como consecuencia de este calentamiento periódico. Debido a este efecto, se crean ondas acústicas que son detectadas mediante un micrófono. La señal proveniente del micrófono se compara con la señal del láser incidente y a partir del desfase entre ambas se pueden obtener las propiedades térmicas del material mediante un modelo teórico apropiado...