Etude des propriétés thermoélectriques de revêtements d'alliages métalliques à base de magnésium déposés par pulvérisation cathodique

Investigation of thermoelectric properties of magnesium-based metal alloys coatings deposited by sputtering process

• Auteur / Autrice : Mahsasadat Safavi
• Direction : Nicolas Martin, Mohammad Arab Pour Yazdi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Lenoir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Martin, Mohammad Arab Pour Yazdi, Nicole Fréty, Angélique Bousquet, Corinne Nouveau, Alain Billard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicole Fréty, Angélique Bousquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoélectricité

Pulvérisation cathodique

Couches minces

Mots clés libres

Couche mince

Mg2x

Solution solide

Thermoélectrique

Pulvérisation cathodique

Magnetron sputtering

Solid Solution

Thermoelectric

Mg2x

Thin film

Résumé

Les matériaux thermoélectriques ont suscité un intérêt mondial, grâce à leur capacité à convertir directement l’énergie thermique en électrique de manière propre et renouvelable. Mg2X (X = Si, Sn, Ge) et leurs solutions solides attirent plus d’attention en raison de leur stabilité thermique, faible coût, non-toxicité, abondance dans la croûte terrestre, faible densité et leur potentiel pour fournir à la fois la conduction de type n ou p pour des applications dans une gamme de températures modérées. La plupart des études menées sur ces matériaux sont limitées aux matériaux de type-n et en massif, tandis que pour le développement d’un bon générateur thermoélectrique les matériaux performants de type n et p sont nécessaires. En plus, des matériaux développés en couches minces sont essentiels pour réduire la taille des dispositifs thermoélectriques actuels afin de les utiliser dans des applications miniaturisées comme microsystèmes électromécaniques et Internet des objets.Cette thèse vise à développer et à améliorer les performances thermoélectriques des alliages de type p à base de Mg en utilisant différentes stratégies, y compris la synthèse sous forme de couches minces, déficient en magnésium, ou dopées, et des solutions solides. Dans ce travail, des films minces ont été déposés par pulvérisation cathodique magnétron et le rôle de la composition chimique et de la modification structurale sur les propriétés électroniques et thermoélectriques des films ont été étudiés. L’influence du dopage en Cu sur les films Mg2Sn stoechométrique et sur les couches minces déficientes en Mg a été étudiée comme une stratégie pour améliorer les performances thermoélectriques dans le système Mg2Sn. De telle manière, les performances thermoélectriques de Mg2Si1-xSnx, ont été étudiées en fonction de la composition et la microstructure du film. L’effet du dopage avec Ge sur Mg2Si0.35Sn0.65 de type p a été discuté en détails. Les couches minces Mg2Ge et Mg2Ge1-xSnx ont été synthétisées pour explorer le rôle de la substitution de Ge dans le transport électronique et les propriétés thermoélectriques de ces composés. Enfin, la stabilité thermique des films a été étudiée après recuit sous vide (10-4 Pa) à des températures allant de l’ambiante jusqu’au 600 °C.

Thermoelectric materials have drawn global interest, according to their ability to convert directly thermal to electrical energy, thus providing a clean and renewable supply of energy. Mg2X (X = Si, Sn, Ge) and their solid solutions attract more attention due to their thermal stability, low cost, non-toxicity, constituent abundance in the earth’s crust, low density and their potential for providing both n and p-type conductions in a moderate temperature range of applications. Most of the studies focused on these materials are limited to n-type and as a bulk, while for developing a good thermoelectric generator both n- and p-type materials are required. Furthermore, thin film materials are required to reduce the size of current thermoelectric devices in order to address them in miniaturized applications like Micro Electro-Mechanical Systems and Internet of Things.This thesis aims at developing and improving thermoelectric performances of p-type Mg-based by employing different strategies, including thin films synthesis, magnesium deficiency, doping, and solid solutions. In this work, thin films were deposited by magnetron sputtering and the role of chemical composition and structural modification on their electronic transport and thermoelectric properties were investigated. The influence of Cu-doping on stoichiometry and Mg-deficiency Mg2Sn thin films were studied as a strategy to enhance thermoelectric performances in the Mg2Sn system. Such thermoelectric performances of Mg2Si1-xSnx, were investigated as a function of the film composition and microstructure. The effect of Ge-doping on p-type Mg2Si0.35Sn0.65 was discussed in detail. Mg2Ge and Mg2Ge1-xSnx thin films were synthesized to explore the role of Ge substitution in electronic transport and thermoelectric properties of these compounds. Finally, the thermal stability of the films was studied after annealing in vacuum (10-4 Pa) at different temperatures from RT to 600°C.