Synthèses et caractérisations de matériaux thermoélectriques nanostructurés

par Romain Bude

Thèse de doctorat en Science des Matériaux

Sous la direction de Sebastian Volz et de Jinbo Bai.

Le président du jury était Bertrand Lenoir.

Le jury était composé de Jay Amrit, Laurent Divay.

Les rapporteurs étaient Eric Alleno, Sylvie Hébert.


  • Résumé

    Les marchés de la thermoélectricité sont en pleine expansion avec l’intérêt croissant pour la récupération d’énergie thermique ou encore pour la gestion de la température de composants électroniques. En dépit de ses nombreux avantages, le développement de cette technologie est freiné par les performances des matériaux. Une voie d’amélioration identifiée est leur nanostructuration afin d’en diminuer la conductivité thermique de réseau.Dans ce travail de thèse, cette voie est appliquée au tellurure de bismuth, matériau connu pour posséder les meilleures performances autour de la température ambiante. Les matériaux sont obtenus par synthèse de nanoparticules en solution avant d’être mis en forme par pressage à chaud.Une première étude est réalisée sur la recherche d’un optimum de la taille de grain dans le massif. On montre que le contrôle des conditions de synthèse permet le contrôle des dimensions des nanoparticules. Par ailleurs, les analyses structurales et fonctionnelles des massifs après densification montrent que la variation de la taille initiale des particules permet le contrôle de la microstructure et des propriétés detransport des massifs.Une seconde étude porte sur la recherche d’un optimum en composition des matériaux Bi2Te3-xSex. Les analyses morphologiques mettent en évidence une structure complexe et particulière, laissant apparaitre la présence de trois phases dans les massifs.Les matériaux obtenus par cette méthode de synthèse possèdent a priori des propriétés de transport anisotropes. La caractérisation de leurs performances thermoélectriques est donc difficile. Plusieurs techniques de caractérisation sont mises en oeuvre afin de mieux connaitre leurs conductivités thermiques. Celles-ci sont faibles, ce qui montre l’intérêt de l’approche. Toutefois, leur conductivité électrique est plus basse que leurs homologues obtenus par des techniques plus conventionnelles. On montre néanmoins que l’optimisation des conditions de synthèse des particules entrant dans la composition des massifs alliés permet d’améliorer leurs propriétés électriques et donc leurs performances thermoélectriques

  • Titre traduit

    Synthesis and characterizations of nanostructured thermoelectric materials


  • Résumé

    The global thermoelectric markets are in expansion with a growing interest for the energy harvesting or the thermal management of electronic components. Despite numerous advantages, this technology development is limited by the materials performances. A way to improve them is to use nanostructures in order to decrease the lattice thermal conductivity.In this work, this approach is applied to bismuth telluride, material well known for its high performance around room temperature. Materials are obtained from solution synthesis of nanoparticles before hot press compaction.A first study focuses on the determination of an optimal grain size in the bulk materials. It is shown that control over the synthesis parameters allows control on the size of nanoparticles.Moreover, structural and physical analyses on the bulks after sintering show that the change of thesynthesis parameters allows control over the microstructure and thermoelectric properties of the bulks.A second study is based on the study of an optimal composition of Bi2Te3-xSex materials. Morphological analysis show a specific and complex structure with three phases in the bulks.It is postulated that these materials should have anisotropic transport properties. Consequently, their characterizations are difficult. Different characterization techniques are used in order to have a better understanding of their thermal conductivities. Thermal conductivity of the bulks is found low which confirm the interest of this approach. However the electrical conductivity is lower than the one of the materials obtained by more conventional methods. We show that the synthesis parameters of the particles can be optimized to increase the thermoelectric performances of the bulk materials.


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