Modélisation des coefficients de transport thermoélectriques des alliages métalliques multicomposants

par Maximilien Saint-Cricq

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Natalio Mingo et de Ambroise Van Roekeghem.

Le président du jury était Noël Jakse.

Le jury était composé de Silke Biermann, Jesús Carrete Montaña, Thierry Waeckerlé.

Les rapporteurs étaient Philippe Jund, Bertrand Lenoir.


  • Résumé

    Cette thèse est un travail autour de la problématique de la prédiction des coefficients thermoélectriques dans les alliages métalliques multicomposants, qui est né d'un besoin d'un acteur industriel de la métallurgie : l'entreprise APERAM. Ces travaux de recherche reposent sur deux grandes approches.La première est une étude, par les calculs ab initio, d'un alliage binaire de métaux de transition : le palladium-argent. Différentes méthodes sont utilisées pour chercher à prédire le comportement du coefficient de Seebeck en fonction de la composition de l'alliage et deux résultats principaux sont mis avant. Premièrement, les calculs montrent que l'aire de la surface de Fermi du système joue un rôle déterminant dans le signe et l'allure qualitative du pouvoir thermoélectrique, ce qui ne semblait pas évident lorsque Sir Nevill Francis Mott a rédigé sa Théorie sur les Propriétés des Métaux et des Alliages en 1936. Ce modèle de référence, établi à l'époque par Mott sans pouvoir bénéficier de l'atout des calculs numériques qui sont accessibles aujourd'hui, considérait en effet que le coefficient de Seebeck des métaux de transition pouvait être expliqué essentiellement en étudiant les transitions des électrons s vers les états d (appelées transitions s-d). Deuxièmement, la méthode quantique de Kubo-Greenwood s'est montrée être la plus efficace pour prédire le coefficient de Seebeck et mériterait d'être renforcée par la prise en compte des interactions électron-phonon négligées dans cette thèse.La seconde approche de ces travaux de recherche utilise une méthode semi-expérimentale pour décrire l'évolution du pouvoir thermoélectrique d'alliages multicomposants constitués d'une dizaine d'éléments, dont des impuretés. Des mesures expérimentales ont permis d'appliquer la relation de Gorter-Nordheim et de mettre en évidence le poids de chaque constituant vis-à-vis de la variation du coefficient de Seebeck. Cette méthode permet de prendre en compte l'influence des impuretés et, déjà, de savoir quels éléments surveiller en priorité pour mieux contrôler le pouvoir thermoélectrique d'un alliage lors de son procédé de production industrielle.

  • Titre traduit

    Modeling thermoelectric transport coefficients of multicomponent solid solutions


  • Résumé

    This thesis describes a work on the issue of the prediction of the thermoelectric coefficients in the multicomponent metallic alloys. This was originally the need of a company from the metallurgy industry : APERAM. These research efforts are based on two major approaches.The first one is a study, with ab initio calculations, of a binary alloy of transition metals : the palladium-silver. Different methods are used to try to predict the behavior of the Seebeck coefficient depending on the composition of the alloy and two main results are put forward. First of all, the calculations show that the area of the Fermi surface of the system plays a crucial role in the sign and the qualitative shape of the thermopower, which was not obvious when Sir Nevill Francis Mott wrote his Theory of the Properties of Metals and Alloys in 1936. This reference model, set at the time by Mott without having access to the numerical calculations that exist today, was indeed considering that the Seebeck coefficient of the transition metals could be explained by studying the transitions of the s electrons to the d states (called s-d transitions). Secondly, the Kubo-Greenwood quantum method proved to be the most efficient one to predict the Seebeck coefficient. This method could be improved by taking into account the electron-phonon interactions, which is not the case in the present work.The second approach in this thesis uses a semi-experimental method to describe the evolution of the thermopower of multicomponent alloys which contain ten elements, including impurities. Experimental measurements were used to take into account the influence of theses impurities and to know which elements to monitor in priority in order to better control the thermopower of an alloy during its industrial production process.


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