Synthèses, analyses structurales et propriétés thermoélectriques de matériaux sulfures

Synthesis, structurals analysis and thermoelectrics properties of sulphides materials

• Auteur / Autrice : Cédric Bourgés
• Direction : Emmanuel Guilmeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 30/11/2017
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Raveau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Guilmeau, Bertrand Lenoir, Stéphane Jobic, Sylvain Marinel, Sylvie Hebert, Pierric Lemoine, Vivian Nassif
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Lenoir, Stéphane Jobic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanosynthèse

Thermoélectricité

Sulfures

Matériaux

Chimie

Mots clés libres

Chimie des matériaux

Chemistry

Material

Sulfides

Thermoelectricity

Mechanical alloying

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la synthèse et la caractérisation structurale et physico-chimique de composés sulfures à propriétés thermoélectriques. Un intérêt a été porté sur plusieurs familles de composés sulfures avec pour objectif le développement et/ou l’optimisation des performances thermoélectriques de ces composés.Un premier composé binaire, TiS2, a été élaboré par mécanosynthèse suivi d’une étape de densification par Spark Plasma Sintering (SPS). Les caractérisations structurales ont démontré un effet du processus d’élaboration sur la microstructure ainsi que sur la stœchiométrie du composé. Ce procédé induit une réduction considérable de la conductivité thermique mais aussi électrique du matériau ne permettant pas d’optimiser la figure de mérite du composé. Un second composé a ensuite été développé selon deux voies de synthèses (conventionnelle et mécanosynthèse), le composé ternaire Cu4Sn7S16. Il a été mis en évidence que ce composé semi-conducteur possède une structure complexe qui favorise une conductivité thermique intrinsèquement faible. Les propriétés thermoélectriques ainsi que l’influence de la non-stœchiométrie sur ce composé ont été rapportées. Enfin les composés CuCoxTi2-xS4 et Cu26V2Sn6S32 ont été au cœur des derniers résultats présentés. Ces composés présentent des propriétés de transport plus métalliques propices à l’obtention de facteurs de puissance plus élevés que dans composé Cu4Sn7S16. D’une part, l’élaboration du matériau et l’influence du taux de Co sur le transport électronique ont été discutées sur le composé CuCoxTi2-xS4. D’autre part, l’élaboration par la mécanosynthèse ainsi que les conditions de densification ont été reliés aux propriétés de transport du composé Cu26V2Sn6S32. Une amélioration significative des performances thermoélectriques de ce dernier a été rapportée.Ces différentes études ouvrent des perspectives intéressantes dans l’élaboration et l’optimisation des composés sulfures en vue d’applications industrielles.

The work presented in this thesis focuses on the synthesis and the structural/physicochemical characterizations of sulfide compounds with thermoelectric properties. Several families of sulphide compounds have been studied with the aim of developing and/or optimizing their thermoelectric performances.A binary compound, TiS2, was synthesized by mechanical alloying followed by a densification using Spark Plasma Sintering (SPS). The structural characterizations have revealed the effect of the elaboration on the microstructure and stoichiometry of the compound. This process induces a considerable reduction in the thermal and electrical conductivity of the material which hindered the optimization of the figure of merit. The ternary compound Cu4Sn7S16 was then developed according to two synthetic routes (conventional and mechanical alloying). It has been demonstrated that this semiconductor compound has a complex structure which promotes an intrinsic low thermal conductivity. The influence of the non-stoichiometry on the thermoelectric properties has been reported. Finally, the CuCoxTi2-xS4 and Cu26V2Sn6S32 compounds were the last interesting results presented. These compounds show metallic transport properties with high power factors. The synthesis and the influence of the Co content on the electronic transport properties have been discussed on the CuCoxTi2-xS4 compound. The effect of mechanical alloying and densification conditions were related to the transport properties of the Cu26V2Sn6S32 compound. Substantial improvement of the thermoelectric performances as reported.These various studies open interesting perspectives for the development and optimization of sulfide compounds for industrial application.