Synthèse et caractérisation microstructurale de poudres nanométriques à base de Bi2Te3 et Sb2Te3 : contribution à l'état de l'art des nanocomposites thermoélectriques, Synthesis and characterization of nanometric powders based on Bi2Te3 and Sb2Te3 : contribution to the state-of-the-art of thermoelectric nanocomposites

Voravit Kosalathip

Description

Sous la direction de Anne Dauscher
Thèse soutenue le 10 juillet 2008: INPL
L’étude de matériaux thermoélectriques nanocomposites et nanostructurés est en plein essor suite à l’intérêt de multiplier le nombre d’interfaces et de diminuer la taille des objets pour améliorer les performances. Nous avons mis au point une nouvelle méthode de préparation de nanopoudres thermoélectriques de type n (Bi0.95Sb0.05)2(Te0.95Se0.05)3 et de type p (Bi0.2Sb0.8)2Te3, à partir de la fracturation laser en milieu aqueux de poudres de taille micrométrique. La cellule de préparation développée permet d’obtenir par jour environ 200 mg de poudres nanométriques cristallisés présentant la structure cristallographique des poudres initiales et dont la taille moyenne est comprise entre 7 et 12 nm. Les mécanismes mis en jeu dans l’obtention des nanoparticules ont été abordés. Ils dépendent fortement de la densité d’énergie du faisceau laser. Les nanopoudres ont ensuite été mélangées mécaniquement aux poudres micrométriques de même nature et ont été compactées à froid. Les propriétés thermoélectriques (résistivité électrique, pouvoir thermoélectrique, conductivité thermique) des nanocomposites ont été évaluées à température ambiante. Les premiers résultats montrent que même si le pouvoir thermoélectrique est maintenu dans les matériaux nanostructurés et nanocomposites et que la conductivité thermique totale peut, de manière tout à fait exceptionnelle, être diminuée d’un facteur deux, la résistivité électrique obtenue est jusqu’alors trop élevée pour conduire à de bonnes performances en terme de facteur de mérite adimensionnel, par rapport à un matériau massif conventionnel de même composition
-Fracture laser en milieu liquide
-Thermoélectricité
-Nanocomposites
-Nanoparticules
The study of thermoelectric nanostructured and nanocomposite materials is expanding because of the interest to multiply the number of interfaces and to decrease the size of the objects in order to improve the thermoelectric performance. We developed a new method to prepare thermoelectric n type (Bi0.95Sb0.05)2(Te0.95Se0.05)3 and p type (Bi0.2Sb0.8)2Te3 nanopowders, from the laser fracture in a liquid medium of powders of micrometric size. The developed cell preparation makes it possible to obtain per day approximately 200 mg of crystallized nanometric powders having the crystallographic structure of the initial powders and whose mean size lies between 7 and 12 nm. The mechanisms concerned in obtaining the nanoparticules were approached. They strongly depend on the density of energy of the laser beam. The nanopowders then were mechanically mixed with the micrometric powders of comparable nature and were cold pressed. The thermoelectric properties (electrical resistivity, thermoelectric power, thermal conductivity) of the nanocomposites were evaluated at room temperature. The first results show that even if the thermoelectric power is maintained in nanostructured and nanocomposite materials and that the total thermal conductivity can, in a completely exceptional way, being decreased by a factor two, the electrical resistivity obtained is hitherto too high to lead to high values of the dimensionless thermoelectric figure of merit, with regard to conventional bulk materials of same composition
-Laser fracture in liquid medium
-Nanocomposites
-Thermoelectricity
-Nanoparticles
Source: http://www.theses.fr/2008INPL033N/document

Sujets

• Thermoélectricité
• Nanoparticule

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Doctorale EMMA Energie, Mécanique, Matériaux - ED 409
Laboratoire de Physique des Matériaux - UMR 7556
École Nationale Supérieure des Mines de Nancy
THÈSE
présentée par
Voravit KOSALATHIP
pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité : Science et Ingénierie des Matériaux
Synthèse et caractérisation microstructurale de poudres
nanométriques à base de Bi Te et Sb Te : contribution à 2 3 2 3
l’état de l’art des nanocomposites thermoélectriques
Soutenue le 10 juillet 2008
Membres du Jury :
Mme : C. BOULANGER Présidente
Mme : M. DINESCU Rapporteur
Mr : D. SMITH Rapporteur
Mr : B. LENOIR Examinateur
Mme : A. DAUSCHER Examinateur Remerciements
This work has been performed at Laboratoire de Physique des Matériaux (UMR
7556) in Ecole Nationale Supérieure des Mines de Nancy.
First I would like to sincerely thank my advisor, Dr Anne DAUSCHER, for giving
me the opportunity to work on this project, for all her help and support that made this
PhD work possible. I could not have finished this work without her constant support and
advice. She was always available when I needed some help in the laboratory and in the
everyday life. I am especially thankful for her understanding at times of difficulty.
Today's success in my education would have never come true without her.
For my examination committee.
I am very grateful to my jury members for their valuable time and effort to be in
my PhD examination committee.
Pr Clotilde BOULANGER, Laboratoire d'Electrochimie des Matériaux from
Université Paul Verlaine (Metz), France.
Dr Maria DINESCU, Department of Lasers, Institute of Atomic Physics, National
Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics (Bucarest), Romania.
Pr David SMITH, Groupe d'Etude des Matériaux Hétérogènes (GEMH), Ecole
Nationale Supérieure de Céramique Industrielle (Limoges), France.
Dr Bertrand LENOIR, Laboratoire de Physique des Matériaux, Ecole Nationale
Supérieure des Mines de Nancy, France.
Dr Anne DAUSCHER, Laboratoire de Physique des Matériaux, Ecole Nationale
Supérieure des Mines de Nancy, France.
For all supports from people at the Ecole des Mines, Nancy, France.
I would like to thank Pr Michel VERGNAT, head of the laboratory, and Pr Hubert
SCHERRER, head of the thermoelectric team, for hosting and allowing me to use several
equipments in the laboratory, Dr Bertrand LENOIR for comments and suggestions of several techniques in
thermoelectric measurement properties during the course of my research,
Sylvian WEBER for helping me in many ways and who made my difficult life in
France to become easier,
Sylvie MIGOT for the guiding in using transmission electron microscope and the
work she performed for me,
Pascal MARTIN who always helped me in the polishing and cutting the materials,
Dr Véronique DA ROS and Xavier for their help in the reading and fulfilling of
many official documents and in many technical aspects in the laboratory,
Christophe CANDOLFI for his original and useful earlier experiment results,
Clément KOUADIO from Côte d'Ivoire for being my partner every times when I
needed to work during holidays,
Marie-Cécile DE WEERD, Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et
Métallurgie, for several advice in X-ray diffraction technique,
Dr Juliusz LESZCZYNSKI and Dr Krzysztof MARS from Poland during their
post-doctoral position at the Laboratoire de Physique des Matériaux, for many
discussions about several techniques used with thermoelectric materials.
For all people working on financial support.
I would like to thank the Cooperative Research Network in Physics (CRNP),
Commission on Higher Education Thailand for financial support through my PhD
project.
Ms Nareenush SMATI, from the Royal Thai Embassy in Paris for facilitating me
of all scholar official documents.
Ms Suchada RUNGSINAN, Ministre de l’Education for her suggestions during
visiting Thai students in France.
I would also like to give a special thank to Ms Inthira SRIPICHAI from Physics
Department, King Mongkut’s University of Technology Thonburi for introducing and
supporting me to get the grant from CRNP, and to Ms Taswal KUMPEERAPUN who introduced and guided me to study in
the field of physics of materials.
Finally, I am grateful to my parents and to my wife Sarinna, for their love and
supports during my studying in France. SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE 1
CHAPITRE I : Généralités 5
I.1) Introduction 6
I.2) Brève historique de la thermoélectricité 6
I.3) Les effets thermoélectriques 8
I.3.1) L’effet Seebeck 8
I.3.2) L’effet Peltier 8
I.3.3) L’effet Thomson 8
I.4) La conductivité thermique dans les solides 9
I.5) Le facteur de mérite 10
I.6) Les dispositifs thermoélectriques 12
I.7) Les matériaux thermoélectriques 13
I.7.1) Les matériaux conventionnels 13
I.7.2) Les nouveaux matériaux 15
I.7.2.1) Les matériaux massifs 15
I.7.2.2) Les matériaux de dimension réduite 20
I.7.2.3) Les matériaux massifs nanocomposites 24
I.8) Quelques propriétés du tellurure de bismuth et de ses alliages 25
I.9) Conclusion 29
CHAPITRE II : Synthèse de nanoparticules de BiTeSbSe par laser impulsionnel
en milieu liquide et mise en forme des nanocomposites 31
II.1) Introduction 32
II.2) Interaction laser matière 33
II.2.1) Ablation laser de solides sous vide ou sous atmosphère gazeuse (PLD) 35
II.2.2) Ablation laser de solides en milieu liquide (PLAL) 37
II.2.3) Exemples de production de nanoparticules par PLAL 39
II.3) Synthèse de poudres nanométriques de BiTeSbSe par PLAL 39
II.3.1) Etat de l’art 40
II.3.2) Le laser Nd :YAG 42
II.3.3) Préparation des poudres de taille micrométrique initiales 45
II.3.4) Synthèse des nanoparticules en bouteille 46 II.3.5) Développement d’une cellule de synthèse 48
II.3.6) Récupération des poudres 54
II.4) Synthèse des matériaux nanostructurés et nanocomposites 55
II.4.1) Mélange des poudres pour la préparation des nanocomposites 55
II.4.2) Mise en forme des matériaux nanostructurés et nanocomposites 56
II.4.2.1) Pressage à froid 56
II.4.2.2) Spark plasma sintering (SPS) ou frittage flash 57
II.5) Synthèse de matériaux massifs économiquement attractive 60
II.5.1 Préparation des matériaux 60
II.5.2 Mise en forme des matériaux par pressage uniaxial à chaud 62
II.6) Conclusion 65
CHAPITRE III : Caractérisation microstructurale des nanopoudres et des
matériaux densifiés 67
III.1) Introduction 68
III.2) Méthodes de caractérisation 68
III.2.1) Diffraction des rayons X 68
III.2.2) Microscopie électronique à balayage 70
III.2.3) Microcopie électronique en transmission 72
III.3) Poudres préparées en bouteille 74
II.3.1) Influence du nombre de tirs 74
III.3.1.1) Cas particulier : un seul tir 74
III.3.1.2) 9000-36000 tirs 78
III.3.2) Influence de la distance lentille-fond de récipient 79
III.3.3) Influence de la longueur d’onde 83
III.3.4) Influence de la nature du matériau 83
III.3.4.1) Morphologie et taille 84
III.3.4.2) Structure cristallographique 86
III.3.5) Influence de la taille initiale des particules 86
III.4) Poudres préparées en cellule 88
III.4.1) Formation de nanotubes ou de nanobarreaux 89
III.4.2) Formation de nanobilles 90
III.4.3) Formation d’assemblages particuliers 91
III.5) Matériaux nanocomposites consolidés par pressage à froid 93