Complex antimonides with Th3P4 structure type and thermoelectric properties
Antimoniures Complexes de Type Th3P4 et Propriétés Thermoélectriques
Résumé
This thesis concerns the study of complex antimonides with Th3P4 structure type and their potential as p-type materials for thermoelectric power generation. Such materials are characterized by the figure of merit ZT = α2T/ρκ, where α is the Seebeck coefficient, ρ the electrical resistivity and κ the thermal conductivity. R4Sb3 binary compounds (R = La, Ce, Sm and Yb) and ternary Yb4-xR'xSb3 (R = La, Sm, Ce and Eu) and Yb4Sb3-yXy (X = Se, Te, As, Bi and I) have been synthesized by high temperature reaction and crystallize in the anti-Th3P4 structural type (I-43d No. 220). The structural and chemical characterizations were performed by powder X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) coupled with the energy dispersive X-ray spectrometry (EDS). Powders have been densified by spark plasma sintering (SPS) at 1573K under a pressure 100Mpa. Transport properties were measured from room temperature up to 1273K. They indicate that the conduction of binary compounds is dominated by electrons and show a low Seebeck coefficient. Only Yb4Sb3 shows a typical metallic behavior with p-type conduction. Magnetic susceptibility measurements performed on this compound indicates that ytterbium is mainly divalent. So by substituting this element by other trivalent rare earths or by substituting antimony by chalcogens, we have improved high temperature thermoelectric properties thus making these materials promising for thermoelectric generation of electricity.
Ce travail de thèse concerne l'étude d'antimoniures complexes de type Th3P4 et leurs potentiels en tant que matériaux de type p pour la génération thermoélectrique de courant. De tels matériaux sont caractérisés par le facteur de mérite ZT=α2T/ρκ, où α est le coefficient de Seebeck, ρ la résistivité électrique et κ la conductivité thermique. Les composés binaires R4Sb3 (R = La, Ce, Sm and Yb), ternaires Yb4-xR'xSb3 (R'= La, Sm, Ce et Eu) et Yb4Sb3-yXy (X=Se, Te, As, Bi et I) ont été synthétisés par réaction à haute température et cristallisent dans le type structural anti-Th3P4(I-43d N°220). Les caractérisations structurales et chimiques ont été réalisées par diffractions des rayons X sur poudre (DRX) et par microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à de la spectrométrie des rayons X à dispersion d'énergie (EDS). Les poudres on été densifiées par frittage flash (SPS) à 1573K sous une pression de 100Mpa. Les propriétés de transport ont été mesurées de la température ambiante jusqu'à 1273K. Elles indiquent que la conduction des composés binaires est dominée par les électrons et présentent un faible coefficient de Seebeck. Seul Yb4Sb3 montre un comportement typiquement métallique de type p. Les mesures de susceptibilité magnétiques réalisées sur ce composé indiquent que l'ytterbium est principalement divalent et la substitution de ce dernier par d'autres terres rares trivalentes ainsi que la substitution de l'antimoine par des chalcogènes, nous ont permis d'améliorer les propriétés thermoélectriques à haute température faisant de ces matériaux des éléments prometteurs pour la génération d'électricité par effet thermoélectrique.
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