Synthèse, caractérisation physico-chimique et propriétés de transport des composés homologues (PbSe)5 (Bi2Se3)3m (m = 1, 2, 3)

The homologous series of compounds of general chemical formula (PbSe)5(Bi2Se3)3m with m = 1, 2 et 3 is characterized by a lamellar crystal structure where PbSe layers alternate with m Bi2Se3 layers. These compounds, that can be found as minerals, have recently focused attention for thermoelectric applications owing to their remarkable ability to poorly conduct heat. In order to evaluate their thermoelectric performances, the present work dealt with their synthesis by powder metallurgy techniques followed by measurements of their transport properties not only at low temperatures (2 – 300 K) with the aim to identify the basic mechanisms governing the transport but also at high temperatures (300 – 723 K) to determine their optimum temperature range. A detailed study of their crystalline structure has been carried out by a combination of X-ray diffraction on high-quality single crystals and high-resolution transmission electron microscopy. Measurements of their transport properties have confirmed the potential of these materials for power generation applications at mid temperatures. Numerous substitutions have been studied to optimize further their thermoelectric performances. The elements in substitution have been chosen to either increase (m = 1) or decrease (m= 2 and 3) the electron concentration. This work has demonstrated for the first time the possibility to dope these materials with various elements such as iodine, sodium, silver or tellurium. Moreover, a detailed study of the thermal properties of these compounds has been performed by means of powder inelastic neutron scattering in order to unveil the microscopic origin of the very low lattice thermal conductivity values measuredLes composés homologues de formule chimique (PbSe)5(Bi2Se3)3m avec m = 1, 2 et 3 se caractérisent par une structure lamellaire où alternent des couches de PbSe avec m couches de Bi2Se3. Ces composés, que l’on retrouve à l’état naturel, ont récemment suscité un intérêt pour la thermoélectricité en raison de leur remarquable aptitude à ne conduire que très faiblement la chaleur. L’objectif des travaux de cette thèse est d’étudier en détail le transport électrique et thermique de ces matériaux et de sonder leurs performances pour la génération d’électricité. Pour atteindre ces objectifs, des techniques de synthèse par métallurgie de poudres ont été mises en œuvre. Les matériaux résultants ont été ensuite caractérisés finement. Les caractérisations ont porté sur des analyses physico-chimiques mais aussi sur des mesures de propriétés électriques et thermiques aussi bien à basses températures (2 – 300 K) pour identifier les mécanismes microscopiques qui gouvernent le transport qu’à hautes températures (300 – 723 K) pour déterminer leur domaine d’application optimal. Une étude détaillée de leur structure cristalline a été menée en combinant des mesures de diffraction des rayons X sur monocristal et des analyses de microscopie électronique à transmission à haute résolution. Les mesures des propriétés physiques de ces composés ont confirmé leur potentiel pour des applications en génération d’électricité à températures moyennes. De nombreuses substitutions ont été entreprises afin de tenter d’optimiser davantage les performances de ces composés. Les éléments en substitution ont été choisi pour soit augmenter (m = 1) ou au contraire diminuer (m = 2 et 3) la concentration en électrons. Ces travaux ont permis de démontrer pour la première fois la possibilité de doper ces matériaux avec de nombreux éléments tels que l’iode, le sodium, l’argent ou le tellure. D’autre part, une étude détaillée des propriétés thermiques de ces matériaux a été réalisée par diffusion inélastique des neutrons sur poudre afin de dévoiler l’origine microscopique des très faibles valeurs de conductivité thermique de réseau mesurée