Transport dans les composés thermoélectriques skutterudites de type R(x)Co(4-y)Ni(y)Sb(12) (R=Nd, Yb et In)

par Véronique Da Ros

Thèse de doctorat en Science et ingénierie des matériaux

Sous la direction de Bertrand Lenoir.

Soutenue le 30-05-2008

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec Laboratoire de physique des matériaux (Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Pecheur.

Le jury était composé de Bertrand Lenoir, Pierre Pecheur, Claude Godart, Jacques Noudem, Jiri Hejtmanek, Janusz Tobola, Anne Dauscher.

Les rapporteurs étaient Claude Godart, Jacques Noudem.


  • Résumé

    Dans le cadre du regain d’activité pour la thermoélectricité, les matériaux skutterudite suscitent un vif intérêt du fait de leurs performances dans la gamme de température 400-800 K. L’étude des propriétés structurales et thermoélectriques de triantimoniures de cobalt partiellement remplies au néodyme, à l’ytterbium ou à l’indium, et partiellement substituées au nickel a ainsi été menée. Des composés denses et homogènes ont été obtenus via une technique de métallurgie des poudres. L’analyse conjointe des résultats de diffraction des rayons X et de microsonde de Castaing a permis de déterminer les limites de solubilité x des éléments remplisseurs dans Co4Sb12 : ainsi, xNd ~ 0,05 – 0,06, et xYb ~ xIn ~ 0,18. Dans le cas de l’ytterbium, nous avons montré par diffraction de neutrons sur poudre que ces atomes sont localisés au centre des cavités de la structure et qu’ils présentent un paramètre de déplacement atomique élevé. Les propriétés électriques (résistivité électrique, pouvoir thermoélectrique, effet Hall) et thermiques (conductivité thermique) ont été scrutées sur une vaste gamme de température (2 à 800 K). L’analyse des mesures, entre 2 et 800 K, a montré que plus la teneur en élément inséré est élevée, plus celui-ci a un impact bénéfique sur les propriétés thermoélectriques. Les performances maximales atteintes s’élèvent ainsi à ZT ~ 0,3 pour le composé Nd0,052Co4Sb12 à 800 K, ZT ~ 0,9 pour le composé In0,180Co4Sb12 à 710 K et ZT ~ 1 pour le composé Yb0,180Co4Sb12 à 800 K. L’optimisation de ces matériaux a alors été considérée via la substitution partielle du cobalt par du nickel. Nous avons montré que la présence de nickel augmente la concentration de porteurs de charge et modifie les mécanismes de diffusion onde ceux-ci. Dans le cas des composés partiellement remplis au néodyme, son impact sur les propriétés thermoélectriques est très bénéfique. Pour les composés à l’indium et à l’ytterbium, des compensations de l’influence du nickel sur les différents paramètres s’opèrent si bien que les performances thermoélectroniques globales du matériau ne présentent pas d’amélioration significative

  • Titre traduit

    Transport in thermoelectric skutterudite compounds RxCo4-yNiySb12 (R=Nd, Yb AND In)


  • Résumé

    In a context of renewed interest in thermoelectric compounds, skutterudite materials are an interesting target because of their good performances in the temperature range 400-800 K. The study of structural and thermoelectric properties of cobalt triantimonides partially filled with neodymium, ytterbium and indium, and partially substituted with nickel, has been undertaken. Dense and homogeneous samples have been obtained using a powder metallurgy technique. The joint analysis of X-ray diffraction and electroprobe microanalysis led to the determination of the solubility limit of the filler elements: xNd ~ 0,05 – 0,06, and xYb ~ xIn ~ 0,18. For ytterbium, we were able to prove by powder neutron diffraction technique that the atoms are localized at the centre of the structure and that they have a very high atomic displacement parameter. Electrical properties (electrical resistivity, thermal conductivity, Hall effect) and thermal properties (thermal conductivity) have been investigated on a very large range of temperature (2 to 800K). The exploitation of the measurements showed that the higher the quantity of each insertion element, the greater its beneficial impact on the thermoelectric properties. The best performances have been reached with ZT ~ 0,3 for Nd0,052Co4Sb12 at 800 K, ZT ~ 0,9 in the case of In0,180Co4Sb12 at 710 K and ZT ~ 1 for Yb0,180Co4Sb12 at 800 K. An optimisation was considered using the partial substitution of cobalt by nickel. The impact of nickel on the thermoelectric performances on ternary compounds was very different depending on the element. In the case of neodymium, the presence of nickel modified the diffusion mechanism of the carriers and its impact was very beneficial. For indium and ytterbium, the impact of nickel did not lead to any significant improvement


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