Synthèse et caractérisation de nanocomposites à base de ZnO pour des applications thermoélectriques

Synthesis and characterization of nanocomposites with ZnO for thermoelectric applications

• Auteur / Autrice : Céline Byl
• Direction : Nita Dragoë
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 02/04/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Synthèse, Propriétés et Modélisation des Matériaux (2014-.... ; Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Bleuzen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nita Dragoë, Anne Bleuzen, Sylvie Bégin-Colin, Nicolae Spataru, Virginie Viallet, Bertrand Lenoir
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Bégin-Colin, Nicolae Spataru

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spark plasma sintering (métallurgie)

Frittage (métallurgie)

Thermoélectricité

Nanoparticules

Mots clés libres

ZnO

Nanoparticules

Thermoélectricité

Densification

SPS

ZnO

SPS

Thermoelectricity

Sintering

SPS

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif l’obtention de nanocomposites denses ZnO/SiO2 afin d’améliorer les propriétés thermoélectriques de l’oxyde de zinc. Ce manuscrit décrit différents aspects de l’élaboration tant en terme de synthèse que de densification de nanocomposites ZnO/SiO2 ainsi que leur caractérisation. Afin d’obtenir des nanoparticules en grande quantité, de bonne cristallinité et de taille inférieure à 10 nm, l’optimisation d’une synthèse par voie polyol en jouant sur différents paramètres (pH, température, taux d’hydrolyse, solvant, surfactant) a été réalisée. Nous avons pu mettre en évidence l’intérêt d’utiliser l’acide benzoïque comme surfactant pour éviter l’agglomération de ces nanoparticules. La modification de surface des nanoparticules par de la silice a ensuite été explorée. Cette modification a été réalisée par une méthode classique, le procédé Stöber, ainsi que par une technique moins conventionnelle, l’ALD. Une étude approfondie de la densification par SPS à la fois de l’oxyde de zinc et des nanoparticules recouvertes a été décrite. L’influence de la couche amorphe déposée sur la croissance cristalline des nanoparticules a été démontrée. Nous avons par ailleurs pu mettre en exergue une pollution importante par du carbone lors de la densification des composés entrainant des modifications importantes des propriétés de transport. Le résultat majeur de cette thèse est la mise en évidence de clusters d’oxyde de zinc fortement dopés dans ces composés qui remet en question les mécanismes de transport dans le ZnO.

This study is focusing on the synthesis of nanocomposites of Al doped ZnO/SiO2 with high density in order to increase the thermoelectric properties of ZnO. This work describes the optimization of the synthesis by investigating the effect of different experimental parameters (temperature, type of surfactant, degree of hydrolysis, nature of the solvent, pH) to obtain large amount of nanoparticles with size below 10 nm and good crystallinity. We have identified that using benzoic acid as surfactant could avoid the formation of particle aggregates. The modification of nanoparticles surfaces with SiO2 was investigated by using two methods the Stöber process and ALD. The possibility of ZnO and nanocomposite powder densification by spark plasma sintering was also tackled as well as the role played by the main parameters of the method (applied pressure and the best moment of its application, heating rate). The influence of the amorphous shell on the limiting grain growth during the sintering was demonstrated. Furthermore, a carbon accumulation which modifies the thermoelectric properties in the densified pellet was demonstrated. The source of it was assigned in part to the densification process. The most significant result of this study was the finding of the presence of ZnO clusters strongly doped wich could have fundamental implications as it may reopen the discussion on the transport mechanism in ZnO.