Begoña Abad Mayor

277 Pages·2015·14.57 MB·English

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
Departamento de Física de Materiales

TESIS DOCTORAL

Medidas de transporte térmico de materiales termoeléctricos
mediante la técnica fotoacústica: del material en volumen a la
nanoescala

Thermal transport measurements of thermoelectric materials
by the photoacoustic technique : from bulk to nano

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR

PRESENTADA POR

Begoña Abad Mayor

Directora

Mª Soledad Martín González

Madrid, 2017

©Begoña Abad Mayor, 2016
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA DE MATERIALES

MEDIDAS DE TRANSPORTE TÉRMICO DE MATERIALES
TERMOELÉCTRICOS MEDIANTE LA TÉCNICA FOTOACÚSTICA:
DEL MATERIAL EN VOLUMEN A LA NANOESCALA
THERMAL TRANSPORT MEASUREMENTS OF THERMOELECTRIC
MATERIALS BY THE PHOTOACOUSTIC TECHNIQUE: FROM BULK
TO NANO

Memoria presentada por
Begoña Abad Mayor
Para optar al grado de Doctora en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid
Directora
Dra. Mª Soledad Martín González
INSTITUTO DE MICROELECTRÓNICA DE MADRID
CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

Este trabajo doctoral ha sido
realizado en el Instituto de

Microelectrónica de Madrid
(IMM), perteneciente a la Agencia
Estatal Consejo Superior de

Investigaciones Científicas (CSIC).

Ha sido dirigido por la Dra. Mª
Soledad Martín González.
La realización de esta tesis
doctoral ha sido posible gracias a

la financiación del proyecto
europeo ERC StG NanoTEC
240497 y el proyecto nacional

PHOMENTA MAT2011‐27911.

A mi familia

Acknowledgements
I would like to thank Marisol for her continuous guidance, encouragement and advice. I am
very grateful for being given the opportunity to do my PhD in her laboratory. I have been so lucky to
have a supervisor who cares so much about my work.
Grateful thanks to all people of thermoelectric devices group where this thesis was developed:
Pablo, Jaime, Jon, Juanjo, Liliana, Marina, David, Jaime Andrés, Miguel y Alejandra. My special
thanks to Olga for all her support and collaboration throughout this PhD thesis. It is been a relief to
know she would be there for me whenever I needed it. Special thanks to Cris, for her friendship and
support. Special thanks also to Marta, living this adventure with her was a treasure for me. Thanks to
all the people from the IMM.
I would like to thank many people related with my short abroad stays: Yoshikazu Shinohara
and Hiroshi Kawakami, who gave me the opportunity to work with them at the Institute for Materials
Science (NIMS) in Tsukuba (Japan). I am very grateful to Tim Sands, who helped me to receive me at
Purdue University. During this time, I had access to Xianfan Xu laboratory and there I learned many
key details for the development of this thesis. Thanks to Bivas from Purdue University too. Special
thanks to Theo, Diana and Adam from Rensselaer Polytechnic Institute, who did their best to help me
in this thesis.
I would like to thank to all people that were near to me during this time: frikisicos group,
cañas girls, Alma and Andra, Ali and Ángela and the girls from the school, in special Nuria.
Finally, I would like to thank to my family. This thesis would not have been possible without
you.
Agradecimientos
En primer lugar, quería agradecer a Marisol por su continua guía, apoyo y consejo durante el
transcurso de esta tesis. Estoy muy agradecida de que me diese la oportunidad de hacer la tesis en su
laboratorio. He sido muy afortunada de tener una directora que se preocupa tanto de mi trabajo.
Muchas gracias a mi grupo de dispositivos termoeléctricos donde realicé mi tesis: Pablo,
Jaime, Jon, Juanjo, Liliana, Marina, David, Jaime Andrés, Miguel y Alejandra. A Olga quería
agradecerle su presencia y colaboración, especialmente en esta última etapa. Ha sido un gran alivio
saber que ella estaba ahí para lo que necesitara. En especial gracias a Cris por su amistad y apoyo
incondicional. Un gracias enorme para Marta también, haber vivido esta aventura con ella tiene un
valor incalculable. Gracias a todas las personas del IMM.
Me gustaría agradecer a todas las personas relacionadas con de mis estancias en el extranjero:
Yoshikazu Shinohara y Hiroshi Kawakami, que me dieron la oportunidad de trabajar con ellos en el
Instituto de Ciencia de Materiales (NIMS) en Tsukuba (Japón). Tengo mucho que agradecer a Tim
Sands que me dio la oportunidad de realizar una estancia en la Universidad de Purdue, durante la cual
tuve acceso al laboratorio del Xianfan Xu. Allí pude aprender muchos detalles clave en el desarrollo
de la tesis. También gracias a Bivas de la Universidad de Purdue. Gracias especialmente a Theo,
Diana y Adam del Instituto Politécnico Rensselaer, por haberme ayudado en todo lo que estaba en su
mano.
Me gustaría agradecer a todas las personas que han estado cerca de mí: al grupo de los
frikisicos, a las chicas de las cañas, a Alma y Andra, Ali y Ángela y a las chicas del colegio, en
especial, a Nuria.
Finalmente me gustaría agradecer a mi familia, porque esta tesis no habría podido ser posible
sin vosotros.
Contents
Abstract……………………………………………………………………………………………I
Resumen
………………………………………………………………………………………….I...................II
1.Introduction, background and objetives ………………………………….…. . ……...- 1 -
1.1 Motivation ....................................................................................................................... - 2 -
1.2 Thermoelectricity............................................................................................................. - 2 -
1.3 Thermal conductivity ....................................................................................................... - 6 -
1.4 Review of Non-contact methods to measure thermal conductivity ................................. - 8 -
1.4.1 Time-Domain techniques ...................................................................................... - 11 -
1.4.1.1 Time-Domain Thermoreflectance (TDTR) ................................................... - 11 -
1.4.1.2 Laser flash ...................................................................................................... - 15 -
1.4.1.3 Transient thermal grating (TTG) .................................................................... - 18 -
1.4.1.4.1 Pulsed photothermal mirror technique ................................................... - 21 -
1.4.1.4.2 Pulsed photothermal displacement technique ........................................ - 23 -
1.4.2 Frequency-domain techniques ............................................................................... - 25 -
1.4.2.1 Frequency-domain reflectance method (FDTR) ............................................ - 26 -
1.4.2.2 Photothermal emission/photothermal radiometry method ............................ - 28 -
1.4.2.3 Photothermal Beam deflection (PBD) or “mirage method” .......................... - 30 -
1.4.2.4 Photothermal displacement techniques (PTDT) ............................................ - 32 -
1.4.2.5 Pyroelectric calorimetry (PC) ........................................................................ - 33 -
1.4.2.6 Photothermoelectric technique ...................................................................... - 35 -
1.5 Photoacoustic technique ................................................................................................ - 37 -
1.5.1 Principle of and historical background .................................................................. - 37 -
1.5.2 Experimental setup ................................................................................................ - 39 -
1.5.3 Theoretical model and data reduction procedure .................................................. - 39 -
1.5.4 Applications and other developments.................................................................... - 40 -
1.6 Objectives ...................................................................................................................... - 42 -
1.7 Organization of the Thesis ............................................................................................. - 43 -
1.8 References ..................................................................................................................... - 45 -
i