Réalisation et étude des propriétés thermoélectriques de couches minces et nanofils de types Bi2-XSbxTe3 et Bi2Te3-xSex

Nanostructured materials for the energy transformation

• Auteur / Autrice : Cedric Giroud-Garampon
• Direction : Daniel Bourgault, Anne Dauscher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/01/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Gheeraert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Bourgault, Anne Dauscher, Nathalie Caillault, Bertrand Lenoir, Frederic Streiff
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Clotilde Boulanger, Jacques Noudem, Joseph Dichy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Thermoélectricité

Mots clés libres

Conversion d'énergie

Thermoélectricité

Matériaux nanostructurés

Films minces

Nanofils

Energy transformation

Thermoelectricity

Nanostructured Materials

Thin films

Nanowires

Résumé

De récentes études montrent que les films minces présentent des performances thermoélectriques nettement plus importantes (jusqu'à un facteur 3) que celles obtenues dans les matériaux massifs. Nous avons choisi de développer des couches minces thermoélectriques Bi0,5Sb1,5Te3 de type p et Bi2Te2,7Se0,3 de type n présentant les performances thermoélectriques les plus intéressantes à des températures proches de l'ambiante. La technique de dépôt utilisé est la PVD magnétron. L'optimisation des conditions de dépôt (pression Ar, puissance plasma, distance cible-substrat et temps de dépôt) ainsi que du traitement thermique de recuit a permis obtenir des figures de mérite ZT les plus élevées possibles. De plus, les phénomènes physiques mis en jeu dans les films minces étant différents de ceux des massifs, il a été nécessaire des les étudier pour améliorer les performances thermoélectriques des couches minces. De petits dispositifs thermoélectriques en couche minces ont pu être réalisé et caractérisé. En parallèle nous avons exploré la possibilité de faire croître des filaments thermoélectriques de compositions semblables aux couches et de dimensions manométriques au sein d'une matrice d'alumine nanoporeuse. En effet la réduction des dimensions géométriques permet d'augmenter les performances thermoélectriques des matériaux. Nous avons pu réaliser les premiers fils n et p ainsi que les premières caractérisations thermoélectriques.

Recent studies showed that thermoeletrical performances are larger for thin films (factor 3) than for bulk materials. We chose to develop p-type Bi0,5Sb1,5Te3 and n-type Bi2Te2,7Se0,3 thermoelectrical thin films in order to work at room temperature. Thin films have been realized using magnetron sputtering process. The optimisation of the deposition conditions (Ar pressure, power plasma, target-substrate distance, deposition time) as well as the annealing treatments has helped to obtain figure of merits as high as possible. On the other hand, the physical mechanisms in thin films are different than those of bulk materials so it was necessary to study such mechanisms for a better understanding. In parallel, we explore the possibility to grow thermoelectrical wires with nanometric dimensions inside of a nanoporous alumina matrix. It has been recently shown theoretically and experimentally that thermoelectrical properties are strongly improved when the nanometric dimensions are obtained.