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).

 

Influence de la stœchiométrie en oxygène, stabilité en conditions réelles d’utilisation


Comme l’illustre la figure suivante, l’atmosphère de frittage influe souvent fortement sur les propriétés thermoélectriques des matériaux oxydes. Cette influence est liée à des variations de la stœchiométrie en oxygène, qui dépend de la pression partielle d’oxygène lors du traitement (ou même de la mesure).


Influence de l’atmosphère de frittage sur la résistivité électrique (bas), le coefficient Seebeck (milieu) et le facteur de puissance thermoélectrique (haut) d’échantillons de Zn1-xAlxO.


L’un de nos objectifs est de corréler les propriétés thermoélectriques des oxydes étudiés à leur stœchiométrie en oxygène, ce qui devrait notamment permettre d’obtenir un degré de liberté supplémentaire sur lequel jouer pour améliorer leurs propriétés. Cette étude passe notamment par des mesures de propriétés électriques (résistivité électrique et pouvoir thermoélectrique) in situ en fonction de la température et de la pression partielle d’oxygène (voir instrumentation )



Pour qu’un matériau thermoélectrique puisse être utilisé dans un module de conversion de chaleur en puissance électrique à haute température, de bonnes performances ne suffisent pas, il doit également présenter une bonne stabilité en conditions d’utilisation, de manière à présenter une grande fiabilité à long terme du système de conversion. Nous nous intéressons donc également à l’étude de la stabilité des matériaux thermoélectriques développés dans l’équipe en conditions d’utilisation (température, atmosphère). Cette étude se fait principalement par l’utilisation de l’analyse thermogravimétrique couplée à la diffraction des rayons X et la microscopie électronique avec analyse chimique. Ces études nous permettent de définir les conditions dans lesquelles les matériaux sont suffisamment stables pour être utilisés, ou au contraire de mettre en évidence la nécessité de développer des revêtements de protection. Ces deux aspects sont illustrés ci-dessous dans le cas de BiCuSeO. La figure de gauche montre ainsi que ce matériau peut être utilisé sans risque à 600°C, température à laquelle il est très performant (absence de sublimation de l’un ou l’autre des éléments le constituant), mais qu’en revanche il n’est pas utilisable sous air sans le développement de revêtements de protections, du fait d’une oxydation rapide.



Variations de masse dans BiCuSeO sous atmosphère inerte à 650°C (gauche), ou à l’air en fonction de la température (droite). La sublimation étant négligeable à 650°C, le matériau peut être utilisé à 600°C sans risque sous atmosphère inerte (gauche), en revanche une prise en masse rapide est observée sous air (droite), qui correspond à l’oxydation.


Publications sur le sujet


- “Influence of the preparation conditions on the thermoelectric properties of Al-doped ZnO”, Journal of the American Ceramic Society 93, 2352 (2010) pdf

- “On the high temperature transport properties of thermoelectric oxides”, Physica Status Solidi a 208, 140 (2011) pdf

- “Studies on the thermal stability of BiCuSeO”, Journal of Solid State Chemistry 222, 53 (2015) pdf