Synthesis and characterization of nanometric powders based on Bi2Te3 and Sb2Te3 : contribution to the state-of-the-art of thermoelectric nanocomposites

L’étude de matériaux thermoélectriques nanocomposites et nanostructurés est en plein essor suite à l’intérêt de multiplier le nombre d’interfaces et de diminuer la taille des objets pour améliorer les performances. Nous avons mis au point une nouvelle méthode de préparation de nanopoudres thermoélectriques de type n (Bi0.95Sb0.05)2(Te0.95Se0.05)3 et de type p (Bi0.2Sb0.8)2Te3, à partir de la fracturation laser en milieu aqueux de poudres de taille micrométrique. La cellule de préparation développée permet d’obtenir par jour environ 200 mg de poudres nanométriques cristallisés présentant la structure cristallographique des poudres initiales et dont la taille moyenne est comprise entre 7 et 12 nm. Les mécanismes mis en jeu dans l’obtention des nanoparticules ont été abordés. Ils dépendent fortement de la densité d’énergie du faisceau laser. Les nanopoudres ont ensuite été mélangées mécaniquement aux poudres micrométriques de même nature et ont été compactées à froid. Les propriétés thermoélectriques (résistivité électrique, pouvoir thermoélectrique, conductivité thermique) des nanocomposites ont été évaluées à température ambiante. Les premiers résultats montrent que même si le pouvoir thermoélectrique est maintenu dans les matériaux nanostructurés et nanocomposites et que la conductivité thermique totale peut, de manière tout à fait exceptionnelle, être diminuée d’un facteur deux, la résistivité électrique obtenue est jusqu’alors trop élevée pour conduire à de bonnes performances en terme de facteur de mérite adimensionnel, par rapport à un matériau massif conventionnel de même compositionThe study of thermoelectric nanostructured and nanocomposite materials is expanding because of the interest to multiply the number of interfaces and to decrease the size of the objects in order to improve the thermoelectric performance. We developed a new method to prepare thermoelectric n type (Bi0.95Sb0.05)2(Te0.95Se0.05)3 and p type (Bi0.2Sb0.8)2Te3 nanopowders, from the laser fracture in a liquid medium of powders of micrometric size. The developed cell preparation makes it possible to obtain per day approximately 200 mg of crystallized nanometric powders having the crystallographic structure of the initial powders and whose mean size lies between 7 and 12 nm. The mechanisms concerned in obtaining the nanoparticules were approached. They strongly depend on the density of energy of the laser beam. The nanopowders then were mechanically mixed with the micrometric powders of comparable nature and were cold pressed. The thermoelectric properties (electrical resistivity, thermoelectric power, thermal conductivity) of the nanocomposites were evaluated at room temperature. The first results show that even if the thermoelectric power is maintained in nanostructured and nanocomposite materials and that the total thermal conductivity can, in a completely exceptional way, being decreased by a factor two, the electrical resistivity obtained is hitherto too high to lead to high values of the dimensionless thermoelectric figure of merit, with regard to conventional bulk materials of same compositio