Development of Thermoelectric Coolers Based on Silicon Nanowires

The aim of this thesis project is the development and fabrication of silicon nanowires for thermoelectric applications carried out in collaboration with GemaTeg, a company specializing in electronic components cooling, like CPU and GPU. Indeed, GemaTeg has recently open a collaboration with Leonardo, a major italian company specialized in aerospace, security and defense sectors, with the aim of increasing by 30% the efficiency of CPU thanks to a cooling system based on thermoelectric devices. GemaTeg’s knowledge in utilizing thermoelectric modules for efficient heat management in data centers motivates the partnership, aiming to improve energy efficiency through advanced thermoelectric materials like silicon nanowires. Crystalline silicon, compared to Bi2Te3, which is the material used for the commercial thermoelectric devices, is non toxic, earth abundant and relative low cost. Crystalline silicon shows quite poor thermoelectric properties. Despite its high power factor (4.5 mW K-2 m-1 at the optimal doping level of 1019 cm-3), its high thermal conductivity significantly reduces the figure of merit, zT , to the value of 0.01 at 300K, extremely low compared to the Bi2Te3 which has a zT = 1 at 300K. One possible way to reduce the thermal conductivity, without affecting the electrical transport properties, is the formation of nanowires with a diameter comparable to the phonon mean free path, enhancing the phonon scattering with a consequent reduction of the thermal conductivity and an increase of the zT. The project focuses on the synthesis and characterization of silicon nanowires, which offer promising thermoelectric properties due to their good electrical properties and low thermal conductivity at the nanoscale. These properties are critical for improving the performance of thermoelectric modules used in energy harvesting and cooling systems. Silicon nanowires, owing to their scalable production and compatibility with existing semiconductor technologies, are a valid material for future thermoelectric devices. The successful development of high-performance silicon nanowires could pave the way for their integration into thermoelectric modules, enhancing the cooling efficiency of data centers, a critical need in the context of increasing global data demand.

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo e la fabbricazione di nanofili di silicio per applicazioni termoelettriche in collaborazione con GemaTeg, azienda specializzata nel raffreddamento di componenti elettroniche quali CPU e GPU. Difatti, GemaTeg ha recentemente avviato una collaborazione con Leonardo, una delle principali aziende italiane operante nei settori aerospaziale, della sicurezza e della difesa, con lo scopo di incrementare del 30% l’efficienza delle CPU attraverso lo sviluppo di sistemi di raffreddamento basati su dispositivi termoelettrici. La consolidata esperienza di GemaTeg nell’utilizzo di moduli termoelettrici per una gestione ottimale del calore nei data center costituisce una solida base per questa collaborazione, mirata a migliorare l’efficienza energetica mediate l’adozione di materiali termoelettrici avanzati, come i nanofili di silicio. Il silicio cristallino, rispetto al Bi2Te3, che è il materiale commerciale utilizzato al giorno d’oggi per la realizzazione di dispositivi termoelettrici, presenta numerosi vantaggi: non è tossico, è abbondante e relativamente economico. Tuttavia, il silicio cristallino presenta delle proprietà termoelettriche intrinsecamente limitate. Nonostante l’elevato power factor (4.5 mW K-2 m-1 al drogaggio ottimale di 1019cm-3), la sua alta conducibilità termica (140 W/mK a 300K) riduce drammaticamente la figura di merito, zT, a valori di 0.01 a 300K. Una delle possibili strategie per ridurre la conducibilità termica, preservando le proprietà elettriche, consiste nella realizzazione di nanofili con diametro comparabile al libero cammino medio dei fononi. Ciò favorisce lo scattering fononico con una conseguente riduzione della conducibilità termica ed un aumento della zT. Il progetto di tesi è incentrato sulla sintesi e la caratterizzazione di nanofili di silicio che presentano promettenti proprietà termoelettriche. Grazie alle eccellenti proprietà elettriche e alla ridotta conducibilità termica a livello nanometrico, questi nanofili possono migliorare le prestazioni dei moduli termoelettrici utilizzati sia nel recupero di energia che nei sistemi di raffreddamento. La scalabilità produttiva e la compatibilità dei nanofili di silicio con le attuali tecnologie a semiconduttore li rendono una valida alternativa per la progettazione di dispositivi termoelettrici di nuova generazione. Inoltre, lo sviluppo di nanofili di silicio ad alte prestazioni potrebbe favorire la loro integrazione nei moduli termoelettrici, migliorando significativamente l’efficienza del raffreddamento dei data center, un aspetto cruciale nel contesto della crescente domanda globale di dati.