Système de mesure des propriétés thermoélectriques appliqué au phosphore noir

Ce mémoire traite d'un projet visant à concevoir un système de mesure des coefficients thermoélectriques du phosphore noir : la conductivité électrique, la conductivité thermique et le coefficient Seebeck. Une grande partie est dédiée à l'explication de la provenance et des implications des coefficients thermoélectriques, au développement du formalisme de l'équation de transport thermoélectrique et à la comparaison entre les différentes méthodes de mesure de conductivité thermique. Le montage détaillé dans ce document utilise une combinaison de la méthode 3!, une méthode électrique qui exploite la variation de la résistivité du matériau avec la température pour en estimer le taux de diffusion de chaleur qui permet de mesurer les conductivités, et d'un montage standard pour évaluer le coefficient Seebeck du phosphore noir. La fonctionnalité de l'ensemble du système a été validé sur un fil de nickel et utilisé pour caractériser un échantillon de phosphore noir. Le spécimen analysé par ce système présente une conductivité électrique de 69 S/m, une conductivité thermique de 10.6 W/(K·m) et un coefficient Seebeck de 250 μV/K, ce qui est cohérent avec les valeurs retrouvées dans la littérature. Ce document aborde également l'impact d'un dopage en régime non dégénéré sur le phosphore noir et admet qu'un poly-cristal dopé p pourrait atteindre un coefficient ZT de 0.015 à 300 K, qui demeure en-deçà de la valeur ZT � 1 nécessaire pour avoir des dispositifs utiles. La conception du montage physique et du protocole de mesure ouvre une voie vers l'optimisation de l'efficacité thermoélectrique du phosphore noir par dopage ionique, en plus de pouvoir servir de point de départ pour des recherches avancées sur le caractère magnétothermoélectrique du phosphore noir, dont la théorie prédit une expression intéressante.

Abstract

This dissertation treats of a project consisting in measuring the thermoelectric properties of black phosphorus : the electrical conductivity, the thermal conductivity and the Seebeck coefficient. An important part explains the physical considerations of thermoelectric transport, develops its mathematical formalism and compares few methods of thermal conductivity measurements. The setup explained in this document consists of a combination of the 3! method, an electrical method that exploits the variation of resistivity of a material with temperature to approximate its heat diffusion rate and extract the conductivity properties,and a standard setup to evaluate the Seebeck coefficient of black phosphorus. The system was validated on a nickel wire and used to characterize a sample of black phosphorus. The specimen analyzed by this system has an electrical conductivity of 69 S/m, a thermal conductivity of 10.6 W/(K·m) and a Seebeck coefficient of 250 μV/K, which are coherent with values found in litterature. This document also deals with the impact of doping on the thermoelectric coefficients in the non degenerate limit and results of numerical computation predicts a maximal ZT coefficient of 0.015 with an appropriate p doping, which is below the value of ZT � 1 necessary to have useful devices. The physical system and its measurement protocol opens a way towards the optimization of the thermoelectric efficiency of black phosphorus by ionic doping, as well as being a starting point to more advanced research on some interesting magneto-thermoelectrical properties of black phosphorus predicted by theory.