Synthesis and Characterization of Bismuth Telluride-Based Nanostructured Thermoelectric Composite Materials

Les matériaux et dispositifs thermoélectriques (TE) sont intéressants pour les applications en conversion d'énergie tels la récupération de chaleur, la climatisation et la réfrigération. Depuis les années 50, plusieurs efforts ont été déployés pour améliorer l'efficacité des matériaux TE pour la conversion d'énergie (amélioration de la figure de mérite ZT). Malgré ces efforts, la plupart des matériaux TE atteignent au mieux une valeur de ZT de l'ordre de 1. Pour améliorer la performance des alliages TE à base de tellurure de bismuth, nous avons développé des matériaux TE composites à partir de l'hypothèse que par addition d'interfaces dans la structure du matériau TE, il soit possible de réduire la conductibilité thermique par la diffusion des phonons sur ces interfaces. En suivant cette approche, on suppose que les propriétés de transport électronique ne seront pas grandement affectées, menant ainsi à une augmentation de ZT. Dans cette thèse, nous discuterons des procédés d'élaboration et de la caractérisation de deux types de composites TE basés sur le tellurure de bismuth. Le premier type de composite est obtenu en créant des interfaces cohérentes entre différentes phases miscibles de compositions chimiques similaires. Le second type de nanocomposite est fabriqué par l'addition de nano-particules d'une espèce différente menant à la présence d'interfaces incohérentes entre les particules et la matrice. Les étapes des procédés, la caractérisation micro- et nanostructurale ainsi que les propriétés thermoélectriques seront présentées dans cette thèse. Dans l'étude des composites avec interfaces cohérentes, nous avons produit différents mélanges d'alliages de type p de tellurure de bismuth et d'antimoine pour évaluer leurs propriétés TE et leur microstructure. Chaque composite est constitué de deux phases qui sont élaborées à partir de poudres par mécanosynthèse. Le composite est obtenu en extrudant à chaud différentes proportions des deux phases de compositions différentes. La taille de grains minimale pour les composites, évaluée par microscopie électronique à balayage, montre une réduction de 50% par rapport à la taille de grains de l'alliage (Bi0.2Sb0.8)2Te3 élaboré par la méthode conventionnelle. L'analyse par diffraction des rayons x (XRD) indique une décroissance systématique de la taille des cristallites dans e composite. Les mécanismes de diffusion des porteurs de charges ont été caractérisés à partir de mesures de l'effet Hall. Nous n'avons pas observé d'évidence de diffusion des porteurs dans ces composites. Aucune décroissance significative du facteur de puissance n'a été observée et de hautes valeurs de la figure de mérite ZT ont été obtenues, entre 0.86 et 1.04.