Stability of manganese silicides of the HMS type. Alloying effect on their electronic properties

• Auteur / Autrice : Ali Allam
• Direction : Marie-Christine Record, Pascal Boulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 06/11/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Renaud Denoyel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Andrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie du transport

Théorie de la fonctionnelle de densité

Siliciures

Manganèse

Thermoélectricité

Mots clés libres

Matériaux

Thermoélectriques

Manganèse

Siliciures

Stabilité

Phase

Mn4Si7

Substitution

DFT

Boltzmann

Materials

Thermoelectrics

Manganese

Silicides

Stability

Phase

Mn4Si7

Substitution

DFT

Boltzmann

Résumé

Les matériaux thermoélectriques en tant que générateurs d’électricité peuvent être utilisés dans de nombreux domaines tels que la conversion de la chaleur perdue des automobiles et des industries, le couplage avec le photovoltaïque, ou la génération de puissance par radioisotopes pour l’exploration spatiale. A ce jour, la plupart des éléments constitutifs des matériaux thermoélectriques proviennent de ressources rares et sont toxiques ce qui peut induire une pollution environnementale. Les siliciures ont montré qu’ils possèdent de bonnes performances thermoélectriques à haute température et n’ont pas les défauts sus mentionnés. Parmi les siliciures, les siliciures de manganèse riches en silicium MnSix, x variant de 1,71 à 1,75, sont particulièrement intéressants pour leurs propriétés thermoélectriques. Ces composés existent sous plusieurs formes tétragonales correspondant à Mn4Si7, Mn11Si19, Mn15Si26 et Mn27Si47. Dans cette thèse nous examinons d’un point de vue expérimental la stabilité de ces phases. L’étude a été réalisée pour des composés massifs et en films minces. La forme Mn4Si7 est celle qui semble être la plus intéressante pour les applications thermoélectriques, nous avons donc exploré différentes voies de synthèse pour ce composé. Des calculs théoriques utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité couplée à la théorie du transport de Boltzmann ont enfin permis de prédire les propriétés thermoélectriques de la forme Mn4Si7 substituée. La finalité de ces calculs est de trouver des substitutions d’atomes conduisant à une amélioration de l’efficacité thermoélectrique de ce composé.

Thermoelectric materials as electric power generators can be used in many fields, such as the conversion of automobile exhausting heat and industrial waste heat, solar photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation, or RTG (Radioisotope thermoelectric generator) for deep space exploration. To date, most of the constituent elements of thermoelectric materials are scarce resource and are toxic, resulting in environmental pollution. Silicide materials have shown to exhibit good thermoelectric performances at high temperature without suffering from the aforementioned drawbacks. Among the silicide compounds, silicon-rich silicides MnSix, with x comprised between 1.71 and 1.75, are particularly interesting for their thermoelectric properties. These so-called higher manganese silicides (HMS) exhibit several tetragonal structures that correspond to Mn4Si7, Mn11Si19, Mn15Si26 and Mn27Si47. In this thesis, we examine from an experimental point of view the stability of these compounds. The investigations have been performed on both bulk and thin film materials. Mn4Si7 seems to be the most interesting HMS for thermoelectric applications; hence various synthesis routes have been explored for this compound. Finally, theoretical calculations, based on density-functional theory and Boltzmann’s transport theory, have allowed us to predict the thermoelectric properties of substituted Mn4Si7. The objectives were to find substitutional atoms leading to an improvement of the thermoelectric efficiency of Mn4Si7.