Synthèse et caractérisation de matériaux à base de SnTe pour la conversion d’énergie par effets thermoélectriques

2018 
Les alliages de tellurure de plomb (PbTe) sont reconnus depuis longtemps comme d’excellents materiaux thermoelectriques avec un ZT de l’ordre de 1,0 pour des applications en generation d’electricite a hautes temperatures ou le tellurure de bismuth (Bi2Te3) ne peut plus etre utilise. Cependant, la presence de plomb rend problematique une commercialisation a grande echelle de dispositifs thermoelectriques contenant ce compose. Le tellurure d’etain (SnTe), etudie il y a plus de 40 ans comme un analogue a PbTe, presente des performances thermoelectriques mediocres du fait de la presence d’une concentration elevee en lacunes de Sn. Toutefois, la derniere decennie a vu une recrudescence importante des recherches sur ce compose visant a ameliorer ses performances thermoelectriques a hautes temperatures. Le compose SnTe presente des deviations par rapport a la stœchiometrie ideale (lacunes d’etain) quelles que soient la methode de synthese utilisee. Dans ce travail, nous devoilons l’influence de la deviation par rapport a la stœchiometrie ideale (composition chimique) et des conditions de synthese (avec trempe, sans trempe, recuit de saturation et melt-spinning) sur les proprietes de transport electrique et thermique de ces materiaux. Pour ce faire, des techniques de synthese par metallurgie de poudres ont ete mises en œuvre. Les materiaux resultants ont ete ensuite caracterises finement aussi bien d’un point de vue structural que physico-chimique. Ainsi, une etude detaillee de leur structure cristalline a ete menee en combinant des mesures de diffraction des rayons X sur poudre et des analyses de microscopie electronique a balayage et a transmission a haute resolution. Des mesures de proprietes electriques et thermiques ont ete menes a basses temperatures (5 – 300 K) pour identifier les mecanismes microscopiques qui gouvernent le transport et a hautes temperatures (300 – 800 K) afin de determiner le domaine d’application optimal. Ces mesures ont confirme le potentiel de ces composes pour des applications en generation d’electricite a temperatures moyennes. De nombreuses possibilites de substitutions sur le site de l’etain ou/et du tellure ont ete entreprises afin de tenter d’optimiser davantage les performances thermoelectriques de ces composes. Des elements en substitution ont ete choisi pour augmenter le pouvoir thermoelectrique a travers la diminution de la concentration en trous ou par ingenierie de la structure de bande et/ou diminuer la conductivite thermique de reseau via la formation de solutions solides ou de precipites dans la matrice. Le choix de ces elements a notamment ete guide par des calculs de structure de bande electronique. Les resultats experimentaux ont ete modelise par un modele a deux bandes non degenerees afin de devoiler les principaux facteurs qui gouvernent le transport. La conductivite thermique de reseau a ete analysee en utilisant le modele de Callaway afin d’etudier les mecanismes de diffusion des phonons a basses temperatures et de mieux apprehender l’influence des lacunes sur le transport thermique
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