Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Synthèse, Propriétés & Modélisation des Matériaux - SP2M

Matériaux fonctionnels

Notre groupe est composé de trois professeurs (Nita Dragoe, Loreynne Pinsard-Gaudart et Patrick Berthet) ; un professeur émérite (Alexandre Revcolevschi) ; quatre maitres de conférences (David Bérardan, Claudia Decorse, Raphaël Haumont et Nghi Pham) ; un ingénieur d’étude (Romuald Saint-Martin) et une assistante ingénieur (Céline BYL).

 

 

Développement et optimisation de nouveaux matériaux thermoélectriques


L’un de nos axes de recherche concerne la recherche et l’optimisation de nouvelles familles de matériaux thermoélectriques présentant des performances élevées, qui se démarquent des alliages de métaux utilisés à l’heure actuelle. Au cours des dernières années, nous avons ainsi identifié trois familles de matériaux possédant un bon potentiel pour des applications.


La première de ces trois familles est celle des oxychalcogénures de composé parent BiCuSeO. La structure de ces matériaux, qui avaient été étudiés auparavant pour des applications en optoélectronique, est la même que celle des supraconducteurs de la famille de LaFeAsO (voir supraconductivité ). Le composé parent BiCuSeO est un semi-conducteur à grand gap possédant une mobilité électronique élevée. Avec un dopage adéquat, il est possible d’allier un fort pouvoir thermoélectrique avec une résistivité électrique modérée. Cependant, les propriétés électriques restent alors très inférieures à celles des meilleurs matériaux thermoélectriques. Ce qui rend ces matériaux très intéressants est leur conductivité thermique qui est intrinsèquement très faible, beaucoup plus faible que dans la plupart des autres matériaux thermoélectriques. De ce fait, ces composés possèdent des facteurs de mérite thermoélectrique élevés à haute température, comme l’illustre la figure suivante. Ces valeurs sont à l’heure actuelle les plus élevées jamais obtenues dans des matériaux massifs polycristallins de type p ne contenant ni plomb ni tellure, deux éléments que nous cherchons à éviter, dans la gamme de température 400-650°C.

Facteur de mérite ZT en fonction de la température pour BiCuSeO « optimisé », comparé à d’autres familles de matériaux thermoélectriques.



Publications sur ce sujet:


- “Bi1-xSrxCuSeO oxyselenides as promising thermoelectric materials”, Applied Physics Letters 97, 092118 (2010) pdf (première publication mettant en evidence le potentiel de cette famille)

- “Layered oxychalcogenide in the Bi-Cu-O-Se system as good thermoelectric materials”, Semiconductor Science & Technology 29, 064001 (2014) pdf (revue récente)



La seconde famille dont nous avons mis le potentiel en évidence récemment est celle des chalcogénures I-V-VI de composé parent AgBiSe2. Bien que les oxychalcogénures I-V-VI aient été étudiés depuis longtemps pour des applications en thermoélectricité, permettant d’obtenir les alliages de type TAGS et LAST, ceux basés sur AgBiSe2 n’avaient été que peu étudiés. Contrairement à la plupart des autres matériaux de cette famille qui sont de type p, les I-V-VI de type AgBiSe2 peuvent être de type p ou n suivant le dopage, les meilleures propriétés étant observées dans les matériaux de type n. Comme dans le cas de BiCuSeO, il s’agit de matériaux possédant des propriétés électriques assez médiocres en comparaison à celles des meilleurs matériaux thermoélectriques, mais qui sont compensées par une conductivité thermique intrinsèquement très faible, permettant d’obtenir des performances prometteuses dans la gamme de température 450-550°C (figure ci-dessous, gauche). Par ailleurs, ces matériaux sont également intéressant du point de vue de la chimie des matériaux, parce qu’ils présent des transitions structurales qu’il est possible de modifier par des substitutions et qui influencent les propriétés de transport électrique et thermique de manière importante (figure ci-dessous, droite).




Facteur de mérite ZT en fonction de la température pour AgBiSe2 dopé (gauche) et transitions de phase dans AgBiSe2 non substitué (droite)


Publication sur ce sujet:


- “High thermoelectric properties of n-type AgBiSe2”, Journal of the American Chemical Society 135, 4914 (2013) pdf (première publication mettant en evidence le potentiel de cette famille)



La troisième famille dont nous avons mis en évidence le potentiel est celle de BaCu2Se2, qui est lié d’un point de vue « chimique » à BiCuSeO. En effet, comme il a été dit plus haut, la structure cristalline de BiCuSeO est la même que celle de LaFeAsO, dite structure « 1111 » qui est constitué d’empilements de couches La2O2 et Fe2As2. Dans le cas de LaFeAsO, il est possible de remplacer La2O2 par un cation 2+, par exemple Ba2+, pour former la famille dite « 122 » dans laquelle la structure d’empilements en couches est maintenue. Dans le cas de BiCuSeO, il est donc possible de former BaCu2Se2 par un raisonnement similaire. Cependant, la structure en couche n’est pas maintenue, et le composé cristallise dans une structure nettement plus complexe en réseau de canaux (figure ci-dessous, gauche). BaCu2Se2 est un semiconducteur de type p. Comme BiCuSeO et AgBiSe2, des propriétés électriques médiocres sont compensées par une conductivité thermique très faible, conduisant à des performances très prometteuses. (figure ci-dessous, droite). Il est intéressant de noter que nos premiers essais d’optimisation fin 2014 nous ont déjà permis d’égaler les résultats obtenus dans BiCuSeO en terme de performances.





Structure cristalline de BaCu2Se2 (gauche) et Facteur de mérite ZT en fonction de la température pour BaCu2Se2 dopé (droite)


Publication sur ce sujet:


- “BaCu2Se2 based compounds as promising thermoelectric materials”, Dalton Transactions 44, 2285 (2015) pdf (première publication mettant en evidence le potentiel de cette famille)