Nanomatetials for thermoelectric applications

Nanomatériaux pour applications thermoélectriques

Thi Thanh Xuan Vo (1)

1 ICMMO - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

The nano-compound Sn1-xTaxO2 (0 ≤ x ≤ 0.03) was studied with a view to their thermoelectric properties. A method of co-precipitation was used to synthesize nano-powders having an average grain size of about 3 nm. The structural and microstructural study suggested a solid solubility limit of 0.008 ≤ x < 0.010. These nano-powders were then densified by Spark Plasma Sintering, with density reaching ~ 95%. The doping of Ta improved the thermoelectric properties, and in good agreement with the solubility limit, a maximum value of the factor of merit of 4.7x10-5 K-1 was observed for the sample x = 0.008. The stability of oxides, particularly at the nanoscale, is questioned by physicochemical characterizations. From these SnO2-based materials, a nano-composite (ZnO-SnO2) was studied. The compound Zn1-xGdxO (0 ≤ x ≤ 0.03) was prepared by the method of Pechini and characterized by comparing with other ZnO-based materials. A first test of nano-composite M30 (30 wt% Sn0.996Ta0.004O2 and 70 wt% Zn0.997Gd0.003O) was conducted. The result showed that a concentration of 30% nano-inclusion Sn0.996Ta0.004O2 did not allow to improve the thermoelectric properties of nano-composite M30, compared to the starting materials.

Les nano-composés de type Sn1-xTaxO2 (0 ≤ x ≤ 0,03) ont été étudiés en vue de leurs propriétés thermoélectriques. Une méthode de co-précipitation a été utilisée pour synthétiser des nano-poudres ayant une taille des grains moyenne d’environ 3 nm. L’étude structurale et microstructurale a suggéré une limite de solubilité pour le Ta de 0,008 ≤ x < 0,010. Ces nano-poudres ont été ensuite densifiées par Spark Plasma Sintering, avec des compacités atteignant ~ 95%. Le dopage en Ta a permis une amélioration des propriétés thermoélectriques du SnO2 et, en accord avec la limite de solubilité, une valeur maximale du facteur de mérite de 4,7x10-5 K-1 a été observée pour l’échantillon x = 0,008. De plus, nous avons démontré qu’une diminution de la taille des grains permettait d’améliorer le coefficient Seebeck, de diminuer la conductivité thermique, mais conduisait à une diminution de la conductivité électrique. La stabilité des oxydes, notamment à l'échelle nanométrique, est remise en question par des caractérisations physico-chimiques. Partant de ces matériaux à base de SnO2, un nano-composite (ZnO-SnO2) a été étudié. Le composé Zn1-xGdxO (0 ≤ x ≤ 0,03) a été préparé par la méthode de Péchini et caractérisé en comparant avec d’autres matériaux à base de ZnO. Un premier test de nano-composite M30 (30% en masse Sn0.996Ta0.004O2 et 70% en masse Zn0.997Gd0.003O) a été mené. Le résultat obtenu a montré qu’une concentration de nano-inclusion Sn0.996Ta0.004O2 de 30 % ne permettait pas d’améliorer les propriétés thermoélectriques du nano-composite M30, par rapport aux matériaux de départ.

Mots clés: Thermoelectricity; Nanomaterials; Seebeck; Electric resistivity; Thermal conductivity; SnO2; ZnO; Ta; Gd; Co-precipitation; Péchini; Nano-composite

Mots clés: Thermoélectricité; Nanomatériaux; Seebeck; Résistivité électrique; Conductivité thermique; SnO2; ZnO; Ta; Gd; Co-précipitation; Péchini; Nano-composite

Domaines: Matériaux

Thi Thanh Xuan Vo. Nanomatériaux pour applications thermoélectriques. Matériaux. Université Paris Sud - Paris XI, 2015. Français. ⟨NNT : 2015PA112165⟩. ⟨tel-01228226⟩