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• calore
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• flusso termico
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• membrana
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• silicio
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• termico
• thermal

Il lavoro svolto nell’ambito di questa tesi consiste nella progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di un raddrizzatore, o diodo, termico nanostrutturato, in grado di produrre il cosiddetto effetto di raddrizzamento del flusso di calore.
Il dispositivo suddetto è costituito da una membrana sospesa su cui viene definita una configurazione graduata di nanopori: grazie alla presenza di questo gradiente nella geometria del sistema, i fononi, principali responsabili del trasporto termico in un semiconduttore, risultano percorrere, a livello globale, cammini differenti a seconda della direzione del flusso di calore. Essendo la conducibilità termica legata al cammino libero medio dei fononi, essa risulta a sua volta dipendente dalla direzione del trasporto termico e dalla temperatura. Il diodo termico dunque ha due modalità di funzionamento: in polarizzazione diretta, ovvero quando la sorgente calda è collegata all’estremità della membrana con densità più elevata di nanopori, il flusso termico fluisce liberamente; viceversa, in polarizzazione inversa, lo scattering fononico aumenta esponenzialmente ostacolando e arrivando a bloccare il passaggio del calore.
Dal punto di vista della ricerca in letteratura, sono state analizzate le proposte di vari gruppi di ricerca, i quali hanno presentato nei loro articoli diverse tipologie di strutture per l’implementazione di un raddrizzatore termico. I risultati riportati in questi articoli sono poi utilizzati come elemento di confronto con quelli misurati nell’ambito di questo lavoro.
La membrana è realizzata interamente in silicio: grazie alla sua abbondanza e alla sua sostenibilità a livello ecologico, è sempre stato uno dei materiali alla base dell'industria dell'elettronica, e, proprio per questa sua rilevanza, è ampiamente conosciuto sia dal punto di vista chimico che fisico.
Al fine di verificare la stabilità meccanica e valutare a livello teorico il comportamento termo-elettrico del sistema, sono state effettuate numerose simulazioni tramite il software COMSOL Multiphysics.
Il dispositivo è stato fabbricato a partire da un wafer SOI 260 nm tramite i processi standard dell’industria dei semiconduttori. Fulcro della fabbricazione è la litografia a fascio elettronico, effettuata grazie all’ausilio del microscopio a scansione elettronica (Scanning Electron Microscope, SEM) regolato tramite un Pattern Generator, grazie alla quale è stato possibile realizzare strutture di dimensioni dell’ordine delle centinaia di nanometri.
Il dispositivo fabbricato nell’ambito di questa tesi include, oltre al raddrizzatore termico, anche il circuito di misura integrato, costituito da due resistori posti ai lati della membrana, collegati a quattro pad ciascuno, in modo tale da poter effettuare la misura a quattro contatti. Questi resistori svolgono rispettivamente i ruoli di riscaldatore Joule e sensore di temperatura, in modo da poter valutare il salto termico ai capi del raddrizzatore nelle due modalità di funzionamento. Al fine di ottenere una valutazione precisa del salto termico, è stato misurato il coefficiente termico di resistenza (TCR) tramite l’ausilio di un apposito circuito termico costituito da una cella di Peltier alimentata in tensione e un resistore Pt1000 utilizzato come riferimento.
Il raddrizzatore termico ottenuto è stato infine sottoposto a varie misure di temperatura, grazie all’ausilio del circuito integrato. I dati ottenuti sono stati poi analizzati e discussi, al fine di ricavare il coefficiente di raddrizzamento termico del dispositivo.

The following master thesis consists in the development and characterization of a nanostructured thermal rectifier in silicon. This device is a nonreciprocal element that allows heat transport in a preferential direction. The thermal rectifier designed in this work is composed of a suspended membrane on which a graded configuration of nanopores has been made. Thanks to this particular structure, the thermal conductivity of the membrane results space and temperature-dependent, and therefore allows thermal rectification. In order to evaluate this effect, an integrated measurement circuit, composed by two resistors located at both sides of the membrane, has been included. One resistor has been used as Joule heater, while the other one as sensor: by evaluating the sensor resistance, by means of a 4-wire measure, it has been indeed possible to estimate the temperature difference at the edge of the rectifier. As a first step, the designed device has been simulated with COMSOL Multiphysics, in order to verify both mechanical and thermal behaviors. Afterwards, it has been fabricated on a 260 nm SOI wafer by means of electron-beam lithography. Several electrical measurements have been performed, in order to verify the thermal rectification and evaluate a specific parameter defined as Thermal Rectification Ratio (TRR). In addition, the Thermal Coefficient of Resistance of both resistors has been evaluated thanks to an apposite thermoelectric system.