Soutenance de thèse de ELIE ASSAF

Le développement de nouvelles solutions « matériaux » dans le domaine de la microélectronique a permis de continuer la miniaturisation des composants, tout en augmentant leurs performances. Nous produisons aujourd’hui des systèmes électroniques à haut niveau d’intégration fonctionnelle (microsystèmes), que nous voulons souvent être « portables » et « communiquant ». Cependant, la multiplicité des fonctions intégrées dans un même objet, comme dans un téléphone portable dernière génération, est d’autant plus consommatrice d’énergie et pousse toujours plus loin le développement des éléments de batteries dans le cas des objets mobiles. En effet, tous les systèmes mobiles intègrent aujourd’hui une batterie permettant leur fonctionnement sans être connectée à une source d’énergie extérieure pendant une courte durée, jusqu’à une étape de « recharge » pendant laquelle la batterie est rechargée à partir du système électrique classique. Toutefois, les multiples applications désirées pouvant largement dépasser les capacités des batteries embarquées, une des solutions envisagées pour augmenter l’autonomie des objets portables consiste à recharger la batterie grâce à la récupération d’énergies environnantes, pouvant être d’origines variées, comme d’origine thermique, électromagnétique, ou mécanique (vibrations). L’objectif est donc de convertir une partie des sources d’énergie environnantes en électricité utilisable pour le fonctionnement d’une ou plusieurs applications du système autonome ou pour recharger partiellement sa batterie, permettant de repousser à plus tard la recharge classique auprès d’une source électrique standard. Parmi les différentes sources d’énergie environnantes, la récupération de l’énergie thermique par l’effet thermoélectrique est largement plébiscitée. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est de déterminer si une transition de phase magnétique de type transition ferromagnétique/paramagnétique dans un film mince ferromagnétique, comme pour une transition structurale, permet d’augmenter le coefficient Seebeck autour de la température de Curie du matériau considéré. Auquel cas, les matériaux ferromagnétiques, qui possèdent un coefficient Seebeck spin-dépendant, pourraient être utilisés pour développer de nouvelles solutions pour les applications thermoélectriques. Dans notre cas, il est donc important d’étudier des matériaux ferromagnétiques pour lesquels les propriétés magnétiques (température de Curie) et les propriétés thermoélectriques (coefficient Seebeck) peuvent être mesurées dans le même domaine de température. De plus, nous aimerions proposer des solutions pour la récupération d’énergie pour les applications fonctionnant près de la température ambiante, notamment pour les cartes à puce, et nous sommes particulièrement intéressés par les matériaux intégrables aux systèmes électroniques ou optoélectroniques existants, compatibles aux procédés CMOS de la microélectronique. Pour ces raisons, notre choix s’est donc porté sur les composés ferromagnétiques Mn5Ge3 et MnCoGe. Le composé Mn5Ge3 possède une température de Curie proche de 300 K, et le composé MnCoGe possède une température de Curie égale à 275 K dans la structure hexagonale et à 355 K dans la structure orthorhombique. De plus, les températures de Curie de ces deux composés ont l’avantage de pouvoir être augmentées jusqu’à environ 400 K par dopage au carbone pour Mn5Ge3 et en substituant une fraction des atomes de Ge par des atomes de Si pour MnCoGe orthorhombique, nous laissant la possibilité d’ajuster la température de transition magnétique selon le domaine de température de fonctionnement visé.

The development of new "materials" solutions in the field of microelectronics has made it possible to continue the miniaturization of components, while increasing their performance. Nowadays, we produce electronic systems with a high level of functional integration (microsystems), which we often want to be "portable" and "communicating". However, the multiplicity of functions integrated in the same object, as in a last generation mobile phone, is all the more energy-consuming and pushes further the development of battery elements in the case of mobile objects. Indeed, all mobile systems today include a battery for their operation without being connected to an external power source for a short time, to a "recharging" step during which the battery is recharged from the system classic electric. However, the multiple applications desired can greatly exceed the capacity of on-board batteries, one of the solutions considered to increase the autonomy of portable objects is to recharge the battery through the recovery of surrounding energies, which can be of various origins, such as thermal, electromagnetic, or mechanical origin (vibrations). The objective is therefore to convert part of the surrounding energy sources into usable electricity for the operation of one or more applications of the autonomous system or to partially recharge its battery, making it possible to postpone the conventional charging with a standard power source. Among the various sources of energy surrounding, the recovery of thermal energy by the thermoelectric effect is widely acclaimed. In this context, the main objective of this thesis is to determine if a ferromagnetic / paramagnetic transition type magnetic phase transition in a ferromagnetic thin film, as for a structural transition, makes it possible to increase the Seebeck coefficient around the temperature of the Curie of the considered material. In this case, ferromagnetic materials, which have a spin-dependent Seebeck coefficient, could be used to develop new solutions for thermoelectric applications. In our case, it is therefore important to study ferromagnetic materials for which the magnetic properties (Curie temperature) and the thermoelectric properties (Seebeck coefficient) can be measured in the same temperature range. In addition, we would like to provide solutions for energy recovery for near-ambient applications, especially for smart cards, and we are particularly interested in materials that can be integrated into existing, process-compatible electronic or optoelectronic systems. CMOS of microelectronics. For these reasons, our choice was therefore focused on the ferromagnetic compounds Mn5Ge3 and MnCoGe. The compound Mn5Ge3 has a Curie temperature close to 300 K, and the compound MnCoGe has a Curie temperature equal to 275 K in the hexagonal structure and 355 K in the orthorhombic structure. In addition, the Curie temperatures of these two compounds have the advantage of being able to be increased up to about 400 K by carbon doping for Mn5Ge3 and by substituting a fraction of the Ge atoms with Si atoms for orthorhombic MnCoGe, we leaving the possibility of adjusting the magnetic transition temperature according to the target operating temperature range.