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Catégorie : Soutenances de thèse et de HDR

Jeudi 16 juillet 2020 : Soutenance de thèse de Shantanu MISRA : Vers des matériaux thermoélectriques à haute efficacité à base de tellure

Shantanu MISRA, doctorant au sein de l'équipe "Matériaux à propriétés thermoélectriques" de l'Institut Jean Lamour, soutient sa thèse intitulée :

"Vers des matériaux thermoélectriques à haute efficacité à base de tellure "


Date et lieu :

Jeudi 16 juillet 2020 à 10h
Institut Jean Lamour
Salle A2-012

Composition du jury :

Directeur de thèse :

- Christophe CANDOLFI
Maître de conférence, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine, Nancy, France

Co-directeur de thèse :

- Bertrand LENOIR
Professeur, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine, Nancy, France

Rapporteurs :

- Sylvie HEBERT  
  Directrice de recherche - CNRS, CRISMAT, ENSICAEN, Caen, France

- Eric ALLENO
Chargé de Recherche - CNRS, Laboratoire ICMPE, Université Paris Est, Paris, France

Examinatrices :

- Nicole FRETY  Professeure, Laboratoire ICG, l’Université de Montpellier, Montpellier, France

- Marie-Pierre PLANCHE
Maître de conférence, Laboratoire ICB, Université de Technologie de Belfort – Montbéliard, Belfort, France

Invitée :

- Anne DAUSCHER
Chargé de Recherche - CNRS, Institut Jean Lamour, Université de Lorraine, Nancy, France

 


Résumé :

La recherche visant à remplacer les alliages toxiques de tellurure de plomb (PbTe) pour des applications thermoélectriques en génération d'électricité a conduit à des études intensives sur d'autres semi-conducteurs de chalcogènes à base de tellure. Dans ce contexte, le binaire SnTe est réapparu ces dernières années comme un candidat prometteur en raison de sa structure cristalline cubique et de sa structure de bandes de valence électroniques similaire à celle de PbTe. L'indium est un dopant particulièrement intéressant pour SnTe car il entraîne l'apparition d'un niveau résonant et d’un état supraconducteur. Autre semi-conducteur remarquable, InTe a récemment montré qu'il possédait des propriétés thermoélectriques prometteuses en raison de sa très faible conductivité thermique de réseau. L'absence d'études détaillées de ses propriétés de transport fait de ce composé un domaine de recherche prometteur en thermoélectricité.
Dans ce travail, nous présentons une étude expérimentale et théorique détaillée des propriétés de transport de ces deux composés à base de Te (XTe ; X = Sn, In) dans une large gamme de températures (2 - 800 K). Dans une première partie, l'influence de l'indium sur les propriétés de transport du composé Sn1.03-xInxTe (0 ≤ x ≤ 40 %) est examinée. Les résultats expérimentaux sont étayés par des calculs de structures de bandes électroniques effectués selon la méthode Korringa-Kohn-Rostoker avec l'approximation du potentiel cohérent (KKR-CPA). Les résultats tant expérimentaux que théoriques démontrent la nature résonante de In dans Sn1.03Te avec un niveau de dopage optimal de 2 % correspondant à un pouvoir thermoélectrique optimum. Les mesures des propriétés de transport à basse température mettent également en évidence l'évolution complexe des propriétés de transport pour de faibles teneurs en In.
Nos travaux sur InTe ont été effectués sur des échantillons aussi bien monocristallins que polycristallins. La synthèse d’un grand monocristal de InTe par la méthode Bridgman. La possibilité de contrôler la concentration de défauts de ce matériau a été envisagée grâce à des recuits de saturation, effectuées aussi bien du côté riche en In que du côté riche en Te. Comparable au ZT maximal de ~ 0,7 atteint à 780 K dans l’échantillon monocristallin selon les plans ab, un ZT maximum de ~ 0,9 à 710 K a été obtenu dans un échantillon polycristallin.

Mots-clés : Thermoélectricité, Chalcogénures, Resonant Levels, Croissance monocristalline, Recuit de saturation

 


Abstract :
Towards highly-efficient telluride-based thermoelectric materials.
The search to replace the toxic lead telluride (PbTe) alloys for thermoelectric applications in power generation has led to intensive studies of other telluride-based chalcogenide semiconductors. In this context, the binary SnTe has re-emerged over the last years as a promising candidate due to its rock-salt structure and electronic valence band structure similar to PbTe. Indium is a particularly intriguing dopant for SnTe as it leads to the appearance of a resonant level and superconductivity. Another noteworthy chalcogenide semiconductor, InTe has been recently shown to harbor promising thermoelectric properties due to its remarkably very low lattice thermal conductivity. The lack of detailed studies of its transport properties makes this compound a promising area of research in the field of thermoelectrics.
In this work, we report on a detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of these two Te-based chalcogenides (XTe; X = Sn, In) in a wide range of temperatures (2 – 800 K). In a first part, the influence of indium on the transport properties of Sn1.03-xInxTe (0 ≤ x ≤ 40 %) is considered. The experimental results are supported by electronic band structure calculations performed using the Korringa-Kohn-Rostoker method with the coherent potential approximation (KKR-CPA). Both experimental and theoretical results demonstrate the resonant nature of In in Sn1.03Te with an optimum doping level of 2% giving the highest thermopower value for this system. Low-temperature transport properties measurements further highlight the complex evolution of the transport properties for low In contents.
Investigations performed on InTe were performed on both single-crystalline and polycrystalline samples. A large single crystal of InTe was grown by the vertical Bridgman method. The possibility to control the defect concentration in InTe was considered though the saturation annealing method, carried out on the In-rich and Te-rich side of the solidus. Comparable to the peak ZT of ~ 0.7 at 780 K achieved in single-crystalline InTe within the ab plane, a maximum ZT of ~ 0.9 at 710 K was obtained in polycrystalline InTe.
Keywords : Thermoelectricity, Chalcogenides, Resonant Level, Single-crystal Growth, Saturation Annealing