MNHMT2009-18249 REVISITING THE THERMAL CONDUCTIVITY OF NANOPOROUS MATERIALS

ABSTRACT Although the thermal conductivity of nanoporous materials has been investigated in the past, previous models have overestimated the small pore limit. Various authors had proposed a cylindrical boundary geometry to mimic the pore's environment. This permits to solve the phonon Boltzmann equation analytically [1]or numerically [2], but for fixed porosity it leads to a saturation of the thermal conductivity at small pore diameters. We show that such saturation is a spurious effect of the cylindrical boundary approximation. By implementing a Monte Carlo calculation with correct boundary conditions, we obtain considerably different thermal conductivities than predicted by the cylindrical boundary geometry. The approach is illustrated in the case of Si and SiGe nanoporous materials

Polaronic Correlations in Magnetic Behavior of Oxygen Deficient V2O5

The undoped V2O5 sample is synthesized by thermal decomposition resulting in oxygen deficient polycrystalline nature. It has a crystallite size of about 80 nm and a chemical stoichiometry of V2O4.65 with a significant V4+ states in addition to V5+ as seen from X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy respectively. The optical studies reveal a bandgap of 2.2 eV and a significant emission due to defects (1.8 eV) as well as Moss-Burstein effect(3.1 eV) which arises due to gap states and split in conduction band respectively. The temperature dependant electrical conductivity and thermopower measurements clearly demonstrate a polaronic conduction mechanism of small polaron hopping with hopping energy of 0.112 eV. The V2O5 sample is found to show a strong field as well as temperature dependent magnetic behaviour when measured using sensitive SQUID magnetometer. It shows a positive magnetic susceptibility at all temperatures (5-300 K) at low field (0.1 T). The observed behavior is found to be a mix of ferromagnetism (FM) and antiferromagnetism (AFM, {\theta}=-2.1 K in CW fit). On the other hand, for high field (1 T), it showed FM only at low temperatures and abruptly becomes diamagnetic at 31.2 K. This varied magnetic behavior has been attributed to small polaron hopping which arises because of oxygen vacancy defects compensated by charge defects of V4+ and transition from bound to free polarons seen from transport. This is further revealed as strong hybridization of V bonded to oxygen vacancy VO and neighboring V5+ ions, resulting in net magnetic moment per vacancy (3.959 {\mu}_B) as predicted from first principle calculations. The insignificantly low energy difference between FM and AFM interactions observed from calculations and their critical dependence on oxygen vacancy concentrations justify the varied magnetic behaviour of V2O5 reported in the literatur

Propriétés thermoélectriques de matériaux nanocomposites

This dissertation presents a theoretical study of heat transport in nanoporous composites andin nanowire and also theoretical study of thermoelectric properties of the Si0:8Ge0:2 alloywith some experimental new and old measurements.The first study on the porous alloys show that its can display thermal conductivity reductionsat considerably larger pore sizes than nonalloyed porous materials of the same nominalporosity. The thermal conductivity of Si0:5Ge0:5 alloy with 0.1 porosity becomes half thenonporous value at 1000 nm pore sizes, whereas pores smaller than 100 nm are required toachieve the same relative reduction in pure Si or Ge. Using Monte Carlo simulations, we alsoshow that previous models had overestimated the thermal conductivity in the small pore limit.Our results imply that nanoporous alloys should be advantageous with respect to nanoporousnonalloys, for applications requiring a low thermal conductivity, such as novel thermoelectrics.The second theoretical study on the nanowire thermal conductance reveals the structureeffect on the phonon transport. With a theoretical model that considers the frequency dependenceof phonon transport, we are able to quantitatively account for the experimental resultsof straight and bent nanowires in the whole temperature range which shows that due to andouble bend on the straight thermal conductance reduced by 40% at temperature 5K.Finally, we theoretically investigate the thermoelectric properties of sintered SiGe alloys,compare them with new and previous experimental measurements, and determine their potentialfor further improvement. The theoretical approach is validated by extensive comparisonof predicted bulk mobility, thermopower, and thermal conductivity, for varying Ge and dopingconcentrations, in the 300 �� 1000K temperature range. The effect of grain boundariesis then included for Si0:8Ge0:2 sintered nanopowders , and used to predict optimized valuesof the thermoelectric figure of merit at different grain sizes. Our calculations suggest thatfurther optimization of current state of the art n-type (p-type) material would be possible,possibly leading to 6% (5%) ZT enhancement at 1000K and 25% (4%) at room temperature.Even larger enhancements should be possible if the phonon scattering probability of the grainboundaries could be increased beyond its present value of 10%.Cette thèse présente une étude théorique du transport de chaleur dans les matériaux composites nano poreux et nano fils ainsi qu'une étude théorique des propriétés thermoélectriques de l'alliage Si0:8Ge0:2 confrontée à des mesures expérimentales réalisées pour une partie, dans le cadre de l'étude.La première étude démontre que les alliages poreux affichent des réductions de conductivité thermique à des dimensions de pores beaucoup plus grandes que les matériaux poreux non alliés de même porosité nominale. Si on considère une taille de pores de 1000nm, la conductivité thermique de l'alliage Si0:5Ge0:5 avec 0:1 de porosité est deux fois plus faible que la conductivité thermique d'un matériau non poreux, alors que les pores plus petits que 100 nm sont nécessaires pour obtenir la même réduction relative dans le Si ou Ge pur. Nos résultats indiquent que les alliages nano poreux devraient être avantageux devant les matériaux nano poreux non alliés, et ceux pour les applications nécessitant une faible conductivité thermique, tels que les nouveaux matériaux thermoélectriques.La deuxième étude théorique sur la conductance thermique de nano fils révèle l'effet de la structure sur le transport des phonons. Avec un modèle théorique qui considère la dépendance en fréquence du transport des phonons, nous sommes en mesure quantitativement de rendre compte des résultats expérimentaux sur des nano fils droits et coudés dans la gamme de température qui montre qu'un double coude sur un fil réduit sa conductance thermique de 40% à la température de 5K. Enfin, nous avons procédé à une approche théorique des propriétés thermoélectriques des alliages SiGe frittés, en les comparant aux mesures expérimentales nouvelles et antérieures, tout en évaluant leur potentiel d'amélioration. L'approche théorique a été validée par comparaison de la mobilité prévue et la conductivité thermique prévues, en faisant varier la quantité de Ge et les concentrations de dopage, dans une gamme de température comprise entre 300 et 1000K. Nos calculs suggèrent qu'une optimisation par rapport à l'état de l'art actuel est possible pour le matériau de type n et type p, conduisant potentiellement à une augmentation de 6% (5%) du ZT _a 1000K et 25% (4%) _a température ambiante. Même des améliorations plus grandes devraient être possibles si la probabilité de diffusion des phonons aux joints de grains pouvait être augmentée au-delà de sa valeur actuelle de 10%

Non‐Trivial Topological States in Spin‐Polarized 2D Electron Gas at EuO–KTO Interface with the Rashba Spin Texture

Abstract Oxide heterointerfaces are gaining popularity for a variety of applications because of a wide range of emergent quantum phenomena. The creation of a highly conducting and spin‐polarized 2D electron gas (2DEG) with anomalous Hall effect at the EuO–KTaO3 (KTO) interface is reported by Zhang et al. (Phys. Rev. Lett. (2018), 121, 116803). The spin‐polarized 2DEG at the interface in EuO/KTO superlattice with a comprehensive electronic structure calculation using density functional theory (DFT) is investigated. It is shown that the magnetic ordering at the interface is related to the occupation of dxy orbitals of interfacial Ta. The band‐crossing points between the majority and minority spin states open a gap when spin–orbit coupling (SOC) is turned on. The large spikes of the Berry curvature Ω(k) at the momenta of spin–orbit (SO) gaps and integral Chern number demonstrate the non‐trivial band topology. As the system remains metallic, it can display quantum anomalous Hall (QAH) insulating characteristics possibly via strain engineering. The spin texture of the bands with the SO gap on constant energy contour displays single spin winding of electron spin with opposite chirality. The magnetic easy axis is perpendicular to the interfacial plane. Hence, our findings suggest that EuO/KTO system has potential in low‐power quantum electronics, spintronics, and spin‐orbitronics

Marked Effects of Alloying on the Thermal Conductivity of Nanoporous Materials

International audienceWe show that porous alloys can display thermal conductivity reductions at considerably larger pore sizes than nonalloyed porous materials of the same nominal porosity. The thermal conductivity of Si0.5Ge0.5 alloy with 0.1 porosity becomes half the nonporous value at 1000 nm pore sizes, whereas pores smaller than 100 nm are required to achieve the same relative reduction in pure Si or Ge. Using Monte Carlo simulations, we also show that previous models had overestimated the thermal conductivity in the small pore limit. Our results imply that nanoporous alloys should be advantageous with respect to nanoporous nonalloys, for applications requiring a low thermal conductivity, such as novel thermoelectrics

Propriétés thermoélectriques de matériaux nanocomposites

Cette thèse présente une étude théorique du transport de chaleur dans les matériaux composites nano poreux et nano fils ainsi qu'une étude théorique des propriétés thermoélectriques de l'alliage Si0:8Ge0:2 confrontée à des mesures expérimentales réalisées pour une partie, dans le cadre de l'étude. La première étude démontre que les alliages poreux affichent des réductions de conductivité thermique à des dimensions de pores beaucoup plus grandes que les matériaux poreux non alliés de même porosité nominale. Si on considère une taille de pores de 1000nm, la conductivité thermique de l'alliage Si0:5Ge0:5 avec 0:1 de porosité est deux fois plus faible que la conductivité thermique d'un matériau non poreux, alors que les pores plus petits que 100 nm sont nécessaires pour obtenir la même réduction relative dans le Si ou Ge pur. Nos résultats indiquent que les alliages nano poreux devraient être avantageux devant les matériaux nano poreux non alliés, et ceux pour les applications nécessitant une faible conductivité thermique, tels que les nouveaux matériaux thermoélectriques. La deuxième étude théorique sur la conductance thermique de nano fils révèle l'effet de la structure sur le transport des phonons. Avec un modèle théorique qui considère la dépendance en fréquence du transport des phonons, nous sommes en mesure quantitativement de rendre compte des résultats expérimentaux sur des nano fils droits et coudés dans la gamme de température qui montre qu'un double coude sur un fil réduit sa conductance thermique de 40% à la température de 5K. Enfin, nous avons procédé à une approche théorique des propriétés thermoélectriques des alliages SiGe frittés, en les comparant aux mesures expérimentales nouvelles et antérieures, tout en évaluant leur potentiel d'amélioration. L'approche théorique a été validée par comparaison de la mobilité prévue et la conductivité thermique prévues, en faisant varier la quantité de Ge et les concentrations de dopage, dans une gamme de température comprise entre 300 et 1000K. Nos calculs suggèrent qu'une optimisation par rapport à l'état de l'art actuel est possible pour le matériau de type n et type p, conduisant potentiellement à une augmentation de 6% (5%) du ZT _a 1000K et 25% (4%) _a température ambiante. Même des améliorations plus grandes devraient être possibles si la probabilité de diffusion des phonons aux joints de grains pouvait être augmentée au-delà de sa valeur actuelle de 10%.This dissertation presents a theoretical study of heat transport in nanoporous composites andin nanowire and also theoretical study of thermoelectric properties of the Si0:8Ge0:2 alloywith some experimental new and old measurements.The first study on the porous alloys show that its can display thermal conductivity reductionsat considerably larger pore sizes than nonalloyed porous materials of the same nominalporosity. The thermal conductivity of Si0:5Ge0:5 alloy with 0.1 porosity becomes half thenonporous value at 1000 nm pore sizes, whereas pores smaller than 100 nm are required toachieve the same relative reduction in pure Si or Ge. Using Monte Carlo simulations, we alsoshow that previous models had overestimated the thermal conductivity in the small pore limit.Our results imply that nanoporous alloys should be advantageous with respect to nanoporousnonalloys, for applications requiring a low thermal conductivity, such as novel thermoelectrics.The second theoretical study on the nanowire thermal conductance reveals the structureeffect on the phonon transport. With a theoretical model that considers the frequency dependenceof phonon transport, we are able to quantitatively account for the experimental resultsof straight and bent nanowires in the whole temperature range which shows that due to andouble bend on the straight thermal conductance reduced by 40% at temperature 5K.Finally, we theoretically investigate the thermoelectric properties of sintered SiGe alloys,compare them with new and previous experimental measurements, and determine their potentialfor further improvement. The theoretical approach is validated by extensive comparisonof predicted bulk mobility, thermopower, and thermal conductivity, for varying Ge and dopingconcentrations, in the 300 1000K temperature range. The effect of grain boundariesis then included for Si0:8Ge0:2 sintered nanopowders , and used to predict optimized valuesof the thermoelectric figure of merit at different grain sizes. Our calculations suggest thatfurther optimization of current state of the art n-type (p-type) material would be possible,possibly leading to 6% (5%) ZT enhancement at 1000K and 25% (4%) at room temperature.Even larger enhancements should be possible if the phonon scattering probability of the grainboundaries could be increased beyond its present value of 10%.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Blocking phonons via nanoscale geometrical design

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