Alta eficiencia termoeléctrica en películas delgadas nanoestructuradas de SiGe, Cu₂Se y Ag₂Se depositadas por pulverización catódica

Resumen

Los materiales termoeléctricos convierten energía térmica en energía eléctrica y viceversa. Las ventajas de los materiales termoeléctricos son que no poseen partes móviles, son dispositivos de larga duración, silenciosos, utilizados en aplicaciones para enfriar y calentar, y también pueden emplearse para la recuperación de energía proveniente del calor residual. En los últimos años se han propuesto diferentes alternativas prometedoras destinadas a conseguir sistemas con coeficientes zT superiores a 1. Un coeficiente zT de 1 supone una eficiencia de generación de energía eléctrica a partir de energía térmica de un 10 % del límite teórico, dado por el ciclo de Carnot, mientras que un valor de 4 supondría un 30 %. Con el propósito de estudiar cómo aumentar la eficiencia termoeléctrica en distintos materiales, en primer lugar se han obtenido películas delgadas de Si0.8Ge0.2 a través de un sistema de pulverización catódica de ultra alto vacío construido para este fin. El primer objetivo ha sido lograr obtener películas delgadas de Si0.8Ge0.2 policristalinas con bajos valores de conductividad térmica (cercanos a los reportados en la literatura para los nanohilos) y a bajas temperaturas de fabricación. Adicionalmente, un segundo objetivo ha consistido en la fabricación de nanomallas de Si0.8Ge0.2 con un control del tamaño de poro y del espesor de la nanoestructura. Este nuevo enfoque en la fabricación se realiza en un único paso, sin necesidad de procesos litográficos o tratamientos térmicos adicionales. El segundo núcleo de estudio en esta tesis doctoral ha estado alrededor de la fabricación de películas delgadas de seleniuros de cobre Cu2¿xSe y plata Ag2¿xSe. Estos materiales han exhibido recientemente prometedores valores de zT, así como algunas propiedades particularmente curiosas, como una conducción eléctrica similar a un líquido iónico a altas temperaturas. Dentro de esta tesis doctoral, un tercer objetivo ha sido el diseño y construcción de un sistema para la deposición de estos materiales en forma de películas delgadas por procesos de sputtering reactivo. De esta forma somos capaces de obtener películas con una composición bien definida mediante un adecuado control de los parámetros de crecimiento. Esto nos permite de forma sencilla realizar estudios de la variación de las propiedades con la composición del material. Además, nuestro sistema nos permite modificar con gran celeridad los parámetros de crecimiento, de tal manera que se pueden obtener multicapas que den lugar a procesos de dispersión de fonones, reduciendo así la conductividad térmica del material (y mejorando por lo tanto el factor zT).