| Couches minces et dispositifs thermoélectriques performants à base de tellure ( High-performance Te-based thermoelectric thin films and devices) Wei, Meng - (2021-12-14) / Universite de Rennes 1, Université de Shenzen (Chine) - Couches minces et dispositifs thermoélectriques performants à base de tellure
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Langue : Anglais Directeur(s) de thèse: Zhang, Xiang Hua; Fan, Ping Discipline : Sciences des matériaux Laboratoire : ISCR Ecole Doctorale : Matière, Molécules et Matériaux Classification : Chimie, minéralogie, cristallographie Mots-clés : Matériaux thermoélectriques, Couches minces à base de Te, Méthode de thermo-diffusion, Dopage, Dispositif flexible, composite inorganique-organique
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Résumé : Cette thèse portait sur le développement de méthodes innovantes de préparation de couches minces et sur l'optimisation de couches minces à base de Bi-Sb-Te de type p et de type n pour la préparation de dispositifs thermoélectriques flexibles de haute performance. Premièrement, des couches minces de Sb2Te3 et Bi2Te3 ont été déposées par pulvérisation magnétron en utilisant des cibles préparées au laboratoire et elles ont été caractérisées pour des applications thermoélectriques. Deuxièmement, une approche innovante pour la fabrication de couches minces thermoélectriques a été testée avec succès, en utilisant la diffusion/réaction thermique. Des couches de Sb2Te3 d'excellente qualité ont été obtenues. Il a été démontré qu’un écart de composition peut avoir une influence importante sur les propriétés thermoélectriques de ces couches minces. Un excès de Te, avec par exemple la composition Sb2Te4 a permis d’obtenir une couche mince affichant un facteur de puissance élevé de 2,12 mWm-1K-2 à température ambiante, qui est la valeur la plus élevée pour les couches de Sb2Te3 non dopé. Différentes stratégies de dopage pour améliorer les performances thermoélectriques de cette couche de type p ont été appliquées. Le dopage avec un élément ou deux éléments a été particulièrement étudié. Le meilleur élément dopant était le Bi, permettant d’obtenir un facteur de puissance de 2,29 mWm-1K-2 à 30 °C, avec une teneur en Bi de 7,81 at.%. Les matériaux co-dopés n'ont pas donné de meilleure résultat. Troisièmement, la nouvelle méthode de diffusion/réaction thermique a été aussi utilisée pour la préparation de couches minces de Bi2Te3 de type n avec un excellent facteur de puissance de 1,46 mW m-1 K-2. Il a été démontré que tous ces couches minces avaient une excellente résistance mécanique à la flexion, compatible avec les applications portables. Des dispositifs thermoélectriques flexibles à couches minces à base de Bi-Sb-Te avec différentes structures/ configurations ont été conçus et fabriqués. Une tension en circuit ouvert de 46,7 mV et une densité de puissance très élevée de 2,86 Wm-2 ont été obtenues sous une différence de température modérée de 20°C pour un dispositif à 18 jonctions p-n. Ce travail a proposé une nouvelle stratégie facile à implanter pour fabriquer des dispositifs thermoélectriques flexibles et performants, particulièrement prometteurs pour alimenter des dispositifs électroniques portables. Des travaux complémentaires et plus exploratoires ont également été réalisés pour améliorer les performances thermoélectriques de couches minces en utilisant des concepts innovants. Des couches minces composites Sb2Te3/CH3NH3I de qualité ont été préparées par évaporation thermique afin de tester le concept de couches minces hybrides organiques/inorganiques. Il est intéressant de noter que les interfaces et les joints de grains dans les couches composites sont très efficaces pour la diffusion de phonons, conduisant à une conductivité thermique significativement plus faible pour les couches minces hybrides. De plus, l'effet de filtrage énergétique est également favorable à l'amélioration du coefficient de Seebeck. Une valeur ZT prometteuse de 0,77 à 423 K a été obtenue avec cette couche hybride, le double de la valeur pour la couche de Sb2Te3 pur. Abstract : This thesis was focused on the development of innovative thin film preparation methods and on the optimization of p-type and n-type Bi-Sb-Te thin films for preparing high performance and flexible thermoelectric devices. Firstly, Sb2Te3 and Bi2Te3 thin films have been prepared with Magnetron sputtering by using homemade targets and they have been characterized for thermoelectric application. Secondly, an innovative approach for fabricating thermoelectric thin films has been tested successfully, based on thermally induced diffusion/reaction. Pure phase Sb2Te3 thin films with excellent quality have been prepared. It has been demonstrated that the composition deviation can have important influence on the thermoelectric properties of the Sb2Te3 thin films. A Te excess, with for example the composition Sb2Te4 can give a thin film with a high power factor of 2.12 mWm-1K-2 at room temperature, which is the highest value for undoped Sb2Te3 thin films. Different doping strategies for enhancing the thermoelectric performance of the p-type Sb2Te3 based thin films have been applied. Single-element doping and two-element co-doping were particularly studied. The best single doping element was Bi, achieving a power factor of 2.29 mWm-1K-2 at 30 °C, with a Bi doping content of 7.81 at.%. Materials with co-doping did not outperform Bi-doped Sb2Te3 thin film. Thirdly, the novel and robust thermally induced close diffusion/reaction method has also been used for preparing n-type Bi2Te3 thin films. An excellent power factor of 1.46 mW m-1 K-2 has been obtained. It has been demonstrated that all these thin films had excellent mechanical resistance to flexion, compatible with wearable applications. Bi-Sb-Te based flexible thin film thermoelectric devices with the different structures/configurations have been designed and fabricated. An open circuit voltage of 46.7 mV and an ultrahigh power density of 2.86 W m-2 have been obtained under a moderate temperature difference of 20°C for a device with 18 p-n legs. This work has provided a novel and easy-to-implant strategy to fabricate high-performance flexible thermoelectric devices, especially promising for powering portable/wearable electronic devices. Some additional and more exploratory works have also been performed for improving the thermoelectric properties of thin films using innovative concepts. High-quality Sb2Te3/CH3NH3I composite thin films have been prepared by thermal evaporation in order to test the concept of organic/inorganic hybrid thin films. It is interesting to notice that the different boundaries in the composite films are very efficient for phonon scattering, leading to much lower thermal conductivity of the hybrid thin film. In addition, the energy filtering effect is also favorable for improving the Seebeck coefficient. A promising ZT value of 0.77 at 423 K has been obtained with the hybrid film, which is the double in comparison with the pure Sb2Te3 thin film. | |||