Design of new Heusler-type thermoelectric materials : application to Fe₂VAl

Développement de nouveaux matériaux thermoélectriques de type Heusler : application à Fe₂VAl La demande d'une énergie durable et verte est très importante pour les gouvernements et les populations. De par l'augmentation rapide de la population humaine et l'industrialisation à l'échelle mondiale, c’est devenu un enjeu majeur. Une alternative à l’utilisation des combustibles fossiles qui peut être envisagée est l’utilisation, lorsque c’est possible, de dispositifs thermoélectriques. Ces derniers peuvent convertir la chaleur perdue, provenant de diverses sources, en énergie électrique. Cependant, les dispositifs thermoélectriques actuels sont limités en raison de leur faible efficacité, de la nature toxique des matériaux utilisés et de leurs coûts élevés. Le défi actuel dans ce domaine de recherche est de concevoir des matériaux hautement efficaces, respectueux de l'environnement et disponibles à des prix moins élevés. Parmi les matériaux thermoélectriques prometteurs pour la génération d'énergie, le composé Fe2VAl (matériau de la famille des composés Heusler), semble prometteur car il se comporte comme un semi-conducteur sur une large gamme de température et ce jusqu'à 1173 K. Néanmoins, la capacité thermoélectrique de ce composé est compromise par sa conductivité thermique élevée. L'objectif de cette thèse était de trouver de nouvelles stratégies afin d’améliorer l'efficacité thermoélectrique de Fe2VAll'aide de calculs ab initio et d'études expérimentales. Les calculs basés sur les premiers principes ont été effectués en utilisant le code informatique VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package) basé sur la théorie de la fonctionnelle densité (DFT) avec comme but d’étudier la structure électronique du composé Fe2VAl. L'énergie de formation des défauts intrinsèques tels que les lacunes, les anti-sites et les défauts interstitiels, a été déterminée. Nous avons montré que la formation des défauts de type anti-sites est la plus probable. À l'aide du code BoltzTraP, basé sur la théorie du transport de Boltzmann dans l’approximation du temps de relaxation constant, les propriétés de transport électronique de Fe2VAl pur et contenant les défauts les plus favorables ont été calculées. La présence des différents défauts au sein du réseau n’entraine pas d'amélioration notable du coefficient de Seebeck. La conductivité thermique de réseau de Fe2VAl, à la fois sous forme pure et en présence des défauts d’anti-site les plus stables (AlV) a été analysée en utilisant les codes ShengBTE et almaBTE récemment développés. Uneamélioration significative du facteur de mérite (appelé ZT) est alors trouvée en présence de défauts de type anti-sites. Des composés Fe2VAl nanostructurés ont été synthétisés en parallèle par mécanosynthèse, autrement appelé broyage hauteénergie. Les éléments constitutifs sont broyés en ajoutant différentes proportions de chlorure de sodium afin d'obtenir des échantillons poreux, NaCl servant d’agent structurant. Les poudres sont ensuite lavées soigneusement pour éliminer les traces de NaCl et consolidées à l'aide de la technique de frittage flash SPS. L’utilisation de cette nouvelle voie pour structurer et introduire de la porosité dans les échantillons afin de diminuer la conductivité thermique est assez concluante. Nous obtenons une porosité d'environ 15 à 20% en présence de NaCl (contre environ 5% sans sel). L'efficacité thermoélectrique estremarquablement augmentée pour ces échantillons poreux. Néanmoins, les échantillons broyés contenant 15% de porosité présentent des valeurs de ZT plus élevées que les échantillons à plus forte porosité. Ainsi, il est crucial de contrôler et d’optimiser la porosité pour obtenir une plus grande efficacité thermoélectrique. Notre étude montre ainsi clairement que la performance thermoélectrique peut être améliorée en modifiant la stœchiométrie et la morphologie des échantillons.Mots clés : Fe2VAl, matériaux, composés Heusler, thermoélectricité, calculs ab initio, enthalpie de formation, défauts, mécanosynthèse, porosité.