Synthèse électrochimique de nanofils de Bi2Te3 dans des matrices poreuses en polycarbonate

Electrochemical synthesis of Bi2Te3 nanowires in polycarbonate porous templates

• Auteur / Autrice : Cédric Frantz
• Direction : Clotilde Boulanger, Nicolas Stein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/11/2011
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEM - Laboratoire d'Electrochimie des Matériaux - UMR 7555
• Jury : Président / Présidente : Nouari Chaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Bourgault, Thierry Djenizian, Claude Lévy-Clément

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofils

Thermoélectricité

Synthèse (chimie)

Tellure -- Composés

Mots clés libres

Nanostructures

Electrodéposition

Thermoélectricité

Electrochimie

Résumé

Le tellurure de bismuth (Bi2Te3) est le matériau thermoélectrique de référence à température ambiante. De ses propriétés thermiques et électroniques se définit son facteur de mérite qui permet d’évaluer son efficacité. Parmi les voies récentes visant l’amélioration de ce facteur, la nanostructuration apparait comme une approche prometteuse. Des réseaux de nanofils de Bi2Te3 ont été élaborés par électrodéposition dans les pores de membranes en polycarbonate, de 30 μm de longueur et de 30 à 120 nm de diamètre. Le projet visant l’utilisation de membranes remplies comme éléments thermoélectriques, les travaux se sont focalisés sur trois aspects. Tout d’abord, le taux de remplissage des membranes a été amélioré via l’ajout de 50 % v/v DMSO dans l’électrolyte, permettant d’augmenter cette valeur de 40% à 80%. La seconde partie a concerné l’étude des systèmes électrochimiques et les pics voltammétriques ont été identifiés ; la présence de DMSO implique un décalage négatif des potentiels de déposition tandis que l’emploi des membranes entraîne un décalage positif. La connaissance de ces systèmes a permis de maîtriser la composition des dépôts. La morphologie, la microstructure et la composition des nanofils ont été étudiées par microscopie électronique en transmission. La composition est homogène sur la quasi-totalité des nanofils sauf à leurs deux extrémités. Toutefois, ces variations localisées peuvent être réduites en ajustant le potentiel de déposition. Les structures sont polycristallines et fortement orientées perpendiculairement aux plans (01.5). Finalement, des mesures thermoélectriques ont été réalisées sur des réseaux de nanofils et sur des nanofils isolés

Bismuth telluride (Bi2Te3) is the thermoelectric reference material at room temperature. Its figure of merit is defined from its thermal and electronic properties and allows estimating its efficiency. Among recent ways to improve this factor, nanostructuration appears to be a promising approach. Bi2Te3 nanowire arrays have been obtained by electrochemical deposition within the pores of polycarbonate membranes of 30 μm length and homogeneous diameter from 30 nm to 120 nm. The project aims the use of filled membranes as efficient thermoelectric elements and the studies were focused on three main aspects. First of all, the filling ratio of the porous volume has been improved by adding 50 % v/v of DMSO in the electrolyte, allowing raising this value from 40 % to 80 %. The second part concerned the electrochemical behavior indepth studies. The identified voltammetric peaks showed that the DMSO leads to a negative shift of the deposition potential whereas the membrane involves a positive shift. The understanding of electrochemical systems offered the opportunity to monitor the nanowire chemical composition. The nanowire morphology, microstructure and composition were mainly studied by Transmission Electron Microscopy. Calibrated Energy Dispersive X-ray Spectroscopy revealed a homogeneous composition along the nanowires excepted at both their extremities. However, these localized deviations can be partially inhibited by adjusting the deposition potential. Diffraction analyses revealed textured polycrystalline structures with strong orientation perpendicular to (01.5) planes. Finally, thermoelectric measurements were carried out for nanowire arrays and for individual nanowires