Epitaxial perovskite oxides on silicon for thermal energy harvesting

R. Bachelet, L. Louahadj, G. Niu, F. Boudaa, J. Penuelas, P. Regreny, B. Vilquin, C. Dubourdieu, M. Gendry, G. Saint-Girons

Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270

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5 décembre 2012

Context: energy harvesting • Various sources: Electro-magnetic radiations (solar, RF,..) Mechanical (wind, vibrations,..) Thermal

In nanoscale devices… • Efficiency / Reliability • No toxic / Available elements • Integration

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5 décembre 2012

Thermal energy harvesting Thermoelectrics (TE) I = f (T) Challenges: g Maintaining T decreasing sizes Decrease k (by nanostructuring) Twice materials Low conversion ratio/Low output power

vs

Pyroelectrics (PE) I = f (dT/dt) Challenges: g Source: T cycling Harvesting by thermodynamical cycles Low conversion ratio/Low output power Advantage: no need of T

ZT = S2  T/ k

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Outline

I I.

N Nanostructured t t d thermoelectric th l t i films fil (TE)

II II.

Possibilities at Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL)

III.

Integrated ABO3 pyroelectric films (PE)

IV IV.

C Conclusions l i

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Complex thermoelectrics: nanostructuration Bulk Complex structures reducing thermal conductivity Clathrates,, skutterudites,, Half-Heusler,… , Nanostructured composites nanoclusters in matrix

Thin films Nanostructured: Low dimensions structures: 2D: Supperlattices (SLs) 1D: Nanowires (NWs) 0D: Quantum dots (QDs) ( ) to scatter phonons => reduce thermal conductivity Objectives: ZT > 3 (K < 1 W m-1 K-1) (S   > 500 V K-11)

G.J. Snyder y et al.,, Nat. Mat. 7,, 105 (2008) ( ) C.J. Vineis et al., Adv. Mat. 22, 3970 (2010)

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Nanostructured thermoelectrics IInGaAs G A with ih ErAs NPs in SL

Thin films With III-Vs materials

InGaAs/InGaAlAs SL @900 K

JJ.M.O. M O Zide et al., al PRB 74, 74 205335 (2006) W. Kim et al., PRL 96, 045901 (2006) Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270

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Nanostructured ABO3 oxide thermoelectrics SrTiO3: a model for oxide electronics

Tuning  (& S) [2 ] b d by doping i S Sr[2+]Ti[4+]O3[2-]

2DEGs At LaAlO O3/SrTiO /S O3 interface f

Doped by - Aliovalent cations - oxygen vacancies

A. Ohtomo & H.Y. Hwang, Nature 427, 423 (2004) G. Herranz et al. PRL 98, 216803 (2007) Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270 R. Bachelet – GDR Thermoélectricité – Lyon

Science 327, 1607 (2010) Nature Materials 11, 91 (2012) http://inl.cnrs.fr 5 décembre 2012

Nanostructured ABO3 oxide thermoelectrics ABO3 films: fil Doped SrTiO3

Nb-STO: Sr[2+](Ti[4+],Nb[5+])O3[2-]

La-STO: (La[3+],Sr[2+])Ti[4+]O3[2-] T = 300 K

B. Jalan and S. Stemmer, APL 97, 042106 (2010)

H. Ohta et al., H al Nat. Nat Mat Mat. 6, 6 129 (2007) S. Ohta et al., APL 87, 092108 (2005)

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Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) 4 départements •Biotechnologies et Santé •Photonique / Photovoltaïque •Matériaux Fonctionnels •Electronique

9 équipes •Hétéroépitaxie et Nanostructures •Spectroscopie et Nanomatériaux •Dispositifs Dispositifs Electroniques •Heterogeneous Systems Design •Nanophotonique •Photovoltaïque •Chimie et Nanobiotechnologies •Microfluidique - Microsystèmes •Capteurs Capteurs Biomédicaux

Personnel 22 CR & DR CNRS 71 MCF & Prof. 44 ITA 115 Docs & post-docs

4 sites INSA ECL UCBL CPE

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INL: team H&N + NanoLyon platform

Team H&N: « Heteroepitaxy and Nanostructures » Head: Michel Gendry & Guillaume Saint-Girons 3 MBE chambers + XPS in a new clean room Coupled in line: III-V MBE + oxide MBE + XPS Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270 (contact: Philippe Regreny) R. Bachelet – GDR Thermoélectricité – Lyon

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III-Vs nanostructures Semiconductor nanostructures: reducing dimensions dimensions… 2D: SLs & QWs

InAlAsP

1D: NWs

InP

200 nm

0D: QDs

Works led by Michel Gendry, H&N team, INL Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270

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Integrated ABO3 nanostructures Epitaxial SrTiO3/Si… /Si

SrTiO2.5

(a) 100 W

10

(b) 200 W 20

30

40

50

60

Intensity (a.u..)

Int. (ccps)

100

STO(110)

Si(004)

SrTiO3(001))

1000

2) SrTiO3(002

14 ML

70

2 (°)

(c) 300 W

(d) 400 W

G. Niu et al. APL 2009

0 34 0,34

L. Laouhadj et al.

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SrTiO3

0 35 0,35

0 36 0,36

-1

0 37 0,37

0 38 0,38

q// (Å )

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Integrated ABO3 nanostructures Epitaxial ABO3/SrTiO3/Si… /Si

Ferroelectric ABO3

P LAO/STO SLs LaAlO3 SrTiO3 LaAlO3 SrTiO3

O. Marty ‐ INL(UCBL)

4 nm 4 nm

C. Merckling et al. G. Niu et al., G al Thin Sol. Sol Films 520, 520 4595 (2012) G. Niu et al., Microelec. Eng. 88, 1232 (2011) Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270

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Pyroelectrics (PE) Many applications

Similar ABO3 SrTiO3

Diél t i Diélectriques

Pyro

(Ba,Sr)TiO3 BaTiO3

• Insulators • Actuators

Piezo

Pb(Zr,Ti)O3

O. Auciello et al. Phys. Today (1998)

Ferro

• Sensors • Memories

P

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Pyroelectrics (PE) Harvesting by thermodynamical cycles

20°C peak-peak

Heat exchange

Increasing outputs by: - non linear effects - SSH methods D. Guyomar et al., LGEF

G. Sebald G S b ld ett al., l Smart S t Mater. M t Struct. St t 18, 18 125006 (2009) G. Sebald et al., IEEE Transac. Ultrason. Ferroelec. Freq. Control 55, 538 (2008)

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Integrated pyroelectrics (PE) FE/SOI

US patent US2012056504, «MEMS-based pyroelectric Thermal Energy Harvester» by S.R. S R Hunter et al al., Oak Ridge (2010) Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR CNRS 5270

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Conclusions/Perspectives TE epitaxial films: - Nanostructuring! SLs (with 2DEGs) nanocomposites: NWs in matrix (core/shell) ?...

- Epitaxy of new phases?.. - Open for collaborations!..

PE epitaxial films: - Possible energy harvesters with reduced sizes - Enhancing conversion with strained epitaxial films?...

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