Étude des propriétés thermoélectriques de nouveaux semi-conducteurs chalcogénures à structure cristalline complexe

Thermoelectric properties of novel chalcogenide semiconductors with a complex crystal structure

• Auteur / Autrice : Arthur Wieder
• Direction : Christophe Candolfi, Soufiane El oualid
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 2 - CP2S : Chimie et Physique des Solides et des Surfaces

Mots clés

Mots clés libres

Thermoélectricité

Semi-conducteurs

Propriétés thermiques

Synthèse

Caractérisations structurales et chimiques

Propriétés de transport

Thermoelectricity

Semiconductors

Thermal properties

Synthesis

Structural and chemical characterizations

Transport properties

Résumé

Ce sujet de thèse a pour objectif d'étudier les propriétés de transport de nouveaux semi-conducteurs chalcogénures (à base de S, Se ou Te) à structure cristalline complexe qui combinent de bonnes propriétés électroniques et de très faibles valeurs de conductivité thermique. La synthèse, la caractérisation physico-chimique (structure cristalline, microstructure, composition chimique), les mesures des propriétés de transport (thermiques, électriques, galvanomagnétiques, thermodynamiques et magnétiques à basse et à haute température ; 2–1000 K) de ces composés sous forme polycristalline mais également sous forme monocristalline sont les principales activités de recherche. Les composés polycristallins sont synthétisés par métallurgie des poudres en ampoule de quartz scellées ou bien par broyage mécanique à haute énergie. Les monocristaux sont quant à eux synthétisés soit par une technique de croissance de type Bridgman, soit par une méthode de flux. La structure cristalline, la composition et l'homogénéité chimique sont déterminées grâce aux instruments de dernière génération que possèdent les centres de compétences (CC) de l'institut (diffraction des rayons X sur poudre et sur monocristal, diffraction Laue du CC X, microscopie électronique à balayage et en transmission et microsonde de Castaing du CC 3M). Des études complémentaires de la structure cristalline sur les grands instruments (rayons X sur synchrotron et diffraction des neutrons) sont également menées afin de préciser davantage les caractéristiques cristallographiques importantes (caractérisation du désordre ou position des dopants dans la structure par exemple). Les propriétés de transport sont mesurées sur une large gamme de température (2 – 1000 K) à l'aide du parc instrumental conséquent que possède l'équipe d'accueil. Si les mesures à hautes températures permettent de déterminer les performances thermoélectriques des composés synthétisés, les mesures à basse température apportent un éclairage important sur les mécanismes microscopiques qui gouvernent leur transport électrique et thermique. L'étude des très faibles conductivités thermiques de réseau peut être approfondie par des mesures de diffusion inélastique des neutrons/rayons X sur poudre et sur monocristal.

This thesis subject aims to study the transport properties of new chalcogenide semiconductors (that is based on S, Se or Te) with a complex crystalline structure which combine good electronic properties and very low thermal conductivity values. The activities of the PhD student focus on synthesis, physical and chemical characterizations (crystal structure, microstructure, chemical composition), measurements of transport properties (thermal, electrical, galvanomagnetic, thermodynamic and magnetic fields at low and high temperatures; 2 – 1000 K) of these compounds in polycrystalline form but also in single-crystalline form. Polycrystalline compounds will be synthesized by powder metallurgy in sealed silica tubes or by high-energy mechanical ball milling. The single crystals are synthesized either by a Bridgman-type growth technique or by a flux method. The crystal structure and the chemical composition and homogeneity are determined using the latest-generation instruments possessed by the institute's competence centers (X-ray diffraction on powder and single-crystal, Laue diffraction of CC X, scanning and transmission electron microscopy and Castaing electron microprobe of CC 3M). ). Complementary studies of the crystal structure on large instruments (X-rays synchrotron and neutron diffraction) are also carried out in order to further specify the important crystallographic characteristics (characterization of the disorder or position of the dopants in the structure for example). The transport properties are measured over a wide range of temperatures (2 – 1000 K) using the substantial instrumentation available in the host team. While high-temperature measurements will make it possible to determine the thermoelectric performance of the compounds synthesized, low-temperature measurements shed important light on the microscopic mechanisms that govern their electrical and thermal transport. The study of very low lattice thermal conductivities can be deepened by measurements of inelastic neutron/X-ray scattering on powder and on single crystals.