Dimensional cross-over of the charge density wave order parameter in thin exfoliated 1T-VSe2_2

The capability to isolate one to few unit-cell thin layers from the bulk matrix of layered compounds opens fascinating prospects to engineer novel electronic phases. However, a comprehensive study of the thickness dependence and of potential extrinsic effects are paramount to harness the electronic properties of such atomic foils. One striking example is the charge density wave (CDW) transition temperature in layered dichalcogenides whose thickness dependence remains unclear in the ultrathin limit. Here we present a detailed study of the thickness and temperature dependences of the CDW in VSe$_2$ by scanning tunnelling microscopy (STM). We show that mapping the real-space CDW periodicity over a broad thickness range unique to STM provides essential insight. We introduce a robust derivation of the local order parameter and transition temperature based on the real space charge modulation amplitude. Both quantities exhibit a striking non-monotonic thickness dependence that we explain in terms of a 3D to 2D dimensional crossover in the FS topology. This finding highlights thickness as a true tuning parameter of the electronic ground state and reconciles seemingly contradicting thickness dependencies determined in independent transport studies

Matériaux céramiques thermoélectriques pour la production d'électricité propre

Ce travail de thèse porte sur l élaboration et la caractérisation des propriétés physiques et chimiques d une nouvelle famille de composés thermoélectriques, et plus particulièrement le composé BiCuSeO. Les composés de cette famille, dite 1111, présentent une structure en couche de type ZrCuSiAs. L une des particularités de cette structure est la nature distincte des couches qui la composent, la couche Bi2O2 étant décrite comme isolante tandis que la couche Cu2Se2 est appelée couche conductrice. L étude approfondie du composé BiCuSeO montre qu en dépit d un facteur de puissance (S ) relativement modéré, ce composé est un matériau thermoélectrique prometteur, notamment à haute température. En effet, BiCuSeO présente une conductivité thermique remarquablement faible, qui permet d atteindre des facteurs de mérite relativement élevés. De plus, BiCuSeO présente de nombreuses voies d améliorations possibles. L une d elle concerne l étude d un dopage aliovalent sur le site du bismuth. L analyse des résultats a montré que l insertion d un élément divalent permet d optimiser la concentration des porteurs de charges, entrainant ainsi une forte augmentation du facteur de mérite du composé. Une autre voie possible d exploration est l étude de l influence de l ion chalcogène, au travers notamment de la substitution du sélénium par le tellure, avec l obtention d une solution solide complète BiCuSe(1-x)Te(x)O. L étude des propriétés électriques des composés de cette série a permis de mettre en évidence la présence d une transition métal semi-conducteur métal pour les fractions de tellure inférieures à 0.5. Ainsi, bien que l influence du tellure sur le facteur de puissance soit relativement limitée en raison de cette anomalie, des résultats intéressants ont été obtenus pour les fractions de tellure élevées. Par ailleurs, des problématiques autour d une méthode de synthèse alternative du matériau ainsi que sa stabilité sous air sont également abordées dans ce travail.This thesis addresses the issues of the elaboration and the characterization of the chemical and physical properties of a new family of thermoelectric materials, the oxychalcogenides with the general formula BiCuSeO. This compound, called 1111, cristallises in the ZrCuSiAs structure-type. One feature of this structure lies in the fact that the layers are considered as electronically distinct: the Bi2O2 layers are described as the insulating layers whereas the chalcogenide layers Cu2Se2 are presented as the conductive ones. The study of BiCuSeO exhibits that in spite of a relatively moderate power factor (S ), this compound is very promising as possible thermoelectric material, especially at high temperature. Indeed, BiCuSeO shows a remarkably low thermal conductivity, which can achieve relatively high figures of merit. In addition, BiCuSeO offers many ways for improvement. One of them concerns the study of aliovalent doping on the bismuth site. The results showed that the insertion of a divalent element optimizes the charge carriers concentration, leading to a sharp increase in the figure of merit of the compound. Another possible way of exploration lies the study of the influence of the chalcogen ion, notably through the substitution of selenium and tellurium, with a complete solid-solution BiCuSe(1-x)Te(x)O. The study of the electrical properties of this solid solution has highlighted the presence of a metal - semiconductor - metal transition for tellurium fractions below 0.5. Thus, although the influence of tellurium on the power factor is relatively limited due to this anomaly, interesting results were obtained for the high tellurium fractions. In addition, issues around an alternative method of synthesis of the material and its stability in air are also discussed in this work.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Indirect-to-direct band-gap crossover in few-layer MoTe2_2

We study the evolution of the band-gap structure in few-layer MoTe$_2$ crystals, by means of low-temperature micro-reflectance (MR) and temperature-dependent photoluminescence (PL) measurements. The analysis of the measurements indicate that, in complete analogy with other semiconducting transition metal dichalchogenides (TMDs), the dominant PL emission peaks originate from direct transitions associated to recombination of excitons and trions. When we follow the evolution of the PL intensity as a function of layer thickness, however, we observe that MoTe$_2$ behaves differently from other semiconducting TMDs investigated earlier. Specifically, the exciton PL yield (integrated PL intensity) is identical for mono and bilayer and it starts decreasing for trilayers. A quantitative analysis of this behavior and of all our experimental observations is fully consistent with mono and bilayer MoTe$_2$ being direct band-gap semiconductors, with tetralayer MoTe$_2$ being an indirect gap semiconductor, and with trilayers having nearly identical direct and indirect gaps.This conclusion is different from the one reached for other recently investigated semiconducting transition metal dichalcogenides, for which only monolayers are found to be direct band-gap semiconductors, with thicker layers having indirect band gaps that are significantly smaller, by hundreds of meV, than the direct gap. We discuss the relevance of our findings for experiments of fundamental interest and possible future device applications.Comment: 20 pages, 4 Figure

Reduced phase space of heat-carrying acoustic phonons in single-crystalline InTe

Chalcogenide semiconductors and semimetals are a fertile class of efficient thermoelectric materials, which, in most cases, exhibit very low lattice thermal conductivity κph despite lacking a complex crystal structure such as the tetragonal binary compound InTe. Our measurements of κph(T) in single-crystalline InTe along the c axis show that κph exhibits a smooth temperature dependence upon cooling to about 50 K, the temperature below which a strong rise typical for dielectric compounds is observed. Using a combination of first-principles calculations, inelastic neutron scattering (INS), and low-temperature specific heat and transport properties measurements on single-crystalline InTe, we show that the phonon spectrum exhibits well-defined acoustic modes, the energy dispersions of which are constrained to low energies due to distributions of dispersionless, optical modes, which are responsible for a broad double peak structure in the low-temperature specific heat. The latter are assigned to the dynamics of In+ cations in tunnels formed by edge-sharing (In3+Te42−)− tetrahedra chains, the atomic thermal displacement parameters of which, probed as a function of temperature by means of single-crystal x-ray diffraction, suggest the existence of a complex energy potential. Indeed, the In+-weighted optical modes are not observed by INS, which is ascribed to the anharmonic broadening of their energy profiles. While the low κph value of 1.2Wm−1K−1 at 300 K originates from the limited energy range available for acoustic phonons, we show that the underlying mechanism is specific to InTe and argue that it is likely related to the presence of local disorder induced by the In+ sit

Matériaux céramiques thermoélectriques pour la production d’électricité propre

This thesis addresses the issues of the elaboration and the characterization of the chemical and physical properties of a new family of thermoelectric materials, the oxychalcogenides with the general formula BiCuSeO. This compound, called 1111, cristallises in the ZrCuSiAs structure-type. One feature of this structure lies in the fact that the layers are considered as electronically distinct: the Bi2O2 layers are described as the insulating layers whereas the chalcogenide layers Cu2Se2 are presented as the conductive ones. The study of BiCuSeO exhibits that in spite of a relatively moderate power factor (S²σ), this compound is very promising as possible thermoelectric material, especially at high temperature. Indeed, BiCuSeO shows a remarkably low thermal conductivity, which can achieve relatively high figures of merit. In addition, BiCuSeO offers many ways for improvement. One of them concerns the study of aliovalent doping on the bismuth site. The results showed that the insertion of a divalent element optimizes the charge carriers concentration, leading to a sharp increase in the figure of merit of the compound. Another possible way of exploration lies the study of the influence of the chalcogen ion, notably through the substitution of selenium and tellurium, with a complete solid-solution BiCuSe(1-x)Te(x)O. The study of the electrical properties of this solid solution has highlighted the presence of a metal - semiconductor - metal transition for tellurium fractions below 0.5. Thus, although the influence of tellurium on the power factor is relatively limited due to this anomaly, interesting results were obtained for the high tellurium fractions. In addition, issues around an alternative method of synthesis of the material and its stability in air are also discussed in this work.Ce travail de thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation des propriétés physiques et chimiques d’une nouvelle famille de composés thermoélectriques, et plus particulièrement le composé BiCuSeO. Les composés de cette famille, dite 1111, présentent une structure en couche de type ZrCuSiAs. L’une des particularités de cette structure est la nature distincte des couches qui la composent, la couche Bi2O2 étant décrite comme isolante tandis que la couche Cu2Se2 est appelée couche conductrice. L’étude approfondie du composé BiCuSeO montre qu’en dépit d’un facteur de puissance (S²σ) relativement modéré, ce composé est un matériau thermoélectrique prometteur, notamment à haute température. En effet, BiCuSeO présente une conductivité thermique remarquablement faible, qui permet d’atteindre des facteurs de mérite relativement élevés. De plus, BiCuSeO présente de nombreuses voies d’améliorations possibles. L’une d’elle concerne l’étude d’un dopage aliovalent sur le site du bismuth. L’analyse des résultats a montré que l’insertion d’un élément divalent permet d’optimiser la concentration des porteurs de charges, entrainant ainsi une forte augmentation du facteur de mérite du composé. Une autre voie possible d’exploration est l’étude de l’influence de l’ion chalcogène, au travers notamment de la substitution du sélénium par le tellure, avec l’obtention d’une solution solide complète BiCuSe(1-x)Te(x)O. L’étude des propriétés électriques des composés de cette série a permis de mettre en évidence la présence d’une transition métal – semi-conducteur – métal pour les fractions de tellure inférieures à 0.5. Ainsi, bien que l’influence du tellure sur le facteur de puissance soit relativement limitée en raison de cette anomalie, des résultats intéressants ont été obtenus pour les fractions de tellure élevées. Par ailleurs, des problématiques autour d’une méthode de synthèse alternative du matériau ainsi que sa stabilité sous air sont également abordées dans ce travail

Ceramics thermoelectrics materials for “green” power generation

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation des propriétés physiques et chimiques d’une nouvelle famille de composés thermoélectriques, et plus particulièrement le composé BiCuSeO. Les composés de cette famille, dite 1111, présentent une structure en couche de type ZrCuSiAs. L’une des particularités de cette structure est la nature distincte des couches qui la composent, la couche Bi2O2 étant décrite comme isolante tandis que la couche Cu2Se2 est appelée couche conductrice. L’étude approfondie du composé BiCuSeO montre qu’en dépit d’un facteur de puissance (S²σ) relativement modéré, ce composé est un matériau thermoélectrique prometteur, notamment à haute température. En effet, BiCuSeO présente une conductivité thermique remarquablement faible, qui permet d’atteindre des facteurs de mérite relativement élevés. De plus, BiCuSeO présente de nombreuses voies d’améliorations possibles. L’une d’elle concerne l’étude d’un dopage aliovalent sur le site du bismuth. L’analyse des résultats a montré que l’insertion d’un élément divalent permet d’optimiser la concentration des porteurs de charges, entrainant ainsi une forte augmentation du facteur de mérite du composé. Une autre voie possible d’exploration est l’étude de l’influence de l’ion chalcogène, au travers notamment de la substitution du sélénium par le tellure, avec l’obtention d’une solution solide complète BiCuSe(1-x)Te(x)O. L’étude des propriétés électriques des composés de cette série a permis de mettre en évidence la présence d’une transition métal – semi-conducteur – métal pour les fractions de tellure inférieures à 0.5. Ainsi, bien que l’influence du tellure sur le facteur de puissance soit relativement limitée en raison de cette anomalie, des résultats intéressants ont été obtenus pour les fractions de tellure élevées. Par ailleurs, des problématiques autour d’une méthode de synthèse alternative du matériau ainsi que sa stabilité sous air sont également abordées dans ce travail.This thesis addresses the issues of the elaboration and the characterization of the chemical and physical properties of a new family of thermoelectric materials, the oxychalcogenides with the general formula BiCuSeO. This compound, called 1111, cristallises in the ZrCuSiAs structure-type. One feature of this structure lies in the fact that the layers are considered as electronically distinct: the Bi2O2 layers are described as the insulating layers whereas the chalcogenide layers Cu2Se2 are presented as the conductive ones. The study of BiCuSeO exhibits that in spite of a relatively moderate power factor (S²σ), this compound is very promising as possible thermoelectric material, especially at high temperature. Indeed, BiCuSeO shows a remarkably low thermal conductivity, which can achieve relatively high figures of merit. In addition, BiCuSeO offers many ways for improvement. One of them concerns the study of aliovalent doping on the bismuth site. The results showed that the insertion of a divalent element optimizes the charge carriers concentration, leading to a sharp increase in the figure of merit of the compound. Another possible way of exploration lies the study of the influence of the chalcogen ion, notably through the substitution of selenium and tellurium, with a complete solid-solution BiCuSe(1-x)Te(x)O. The study of the electrical properties of this solid solution has highlighted the presence of a metal - semiconductor - metal transition for tellurium fractions below 0.5. Thus, although the influence of tellurium on the power factor is relatively limited due to this anomaly, interesting results were obtained for the high tellurium fractions. In addition, issues around an alternative method of synthesis of the material and its stability in air are also discussed in this work

Matériaux céramiques thermoélectriques pour la production d’électricité propre

This thesis addresses the issues of the elaboration and the characterization of the chemical and physical properties of a new family of thermoelectric materials, the oxychalcogenides with the general formula BiCuSeO. This compound, called 1111, cristallises in the ZrCuSiAs structure-type. One feature of this structure lies in the fact that the layers are considered as electronically distinct: the Bi2O2 layers are described as the insulating layers whereas the chalcogenide layers Cu2Se2 are presented as the conductive ones. The study of BiCuSeO exhibits that in spite of a relatively moderate power factor (S²σ), this compound is very promising as possible thermoelectric material, especially at high temperature. Indeed, BiCuSeO shows a remarkably low thermal conductivity, which can achieve relatively high figures of merit. In addition, BiCuSeO offers many ways for improvement. One of them concerns the study of aliovalent doping on the bismuth site. The results showed that the insertion of a divalent element optimizes the charge carriers concentration, leading to a sharp increase in the figure of merit of the compound. Another possible way of exploration lies the study of the influence of the chalcogen ion, notably through the substitution of selenium and tellurium, with a complete solid-solution BiCuSe(1-x)Te(x)O. The study of the electrical properties of this solid solution has highlighted the presence of a metal - semiconductor - metal transition for tellurium fractions below 0.5. Thus, although the influence of tellurium on the power factor is relatively limited due to this anomaly, interesting results were obtained for the high tellurium fractions. In addition, issues around an alternative method of synthesis of the material and its stability in air are also discussed in this work.Ce travail de thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation des propriétés physiques et chimiques d’une nouvelle famille de composés thermoélectriques, et plus particulièrement le composé BiCuSeO. Les composés de cette famille, dite 1111, présentent une structure en couche de type ZrCuSiAs. L’une des particularités de cette structure est la nature distincte des couches qui la composent, la couche Bi2O2 étant décrite comme isolante tandis que la couche Cu2Se2 est appelée couche conductrice. L’étude approfondie du composé BiCuSeO montre qu’en dépit d’un facteur de puissance (S²σ) relativement modéré, ce composé est un matériau thermoélectrique prometteur, notamment à haute température. En effet, BiCuSeO présente une conductivité thermique remarquablement faible, qui permet d’atteindre des facteurs de mérite relativement élevés. De plus, BiCuSeO présente de nombreuses voies d’améliorations possibles. L’une d’elle concerne l’étude d’un dopage aliovalent sur le site du bismuth. L’analyse des résultats a montré que l’insertion d’un élément divalent permet d’optimiser la concentration des porteurs de charges, entrainant ainsi une forte augmentation du facteur de mérite du composé. Une autre voie possible d’exploration est l’étude de l’influence de l’ion chalcogène, au travers notamment de la substitution du sélénium par le tellure, avec l’obtention d’une solution solide complète BiCuSe(1-x)Te(x)O. L’étude des propriétés électriques des composés de cette série a permis de mettre en évidence la présence d’une transition métal – semi-conducteur – métal pour les fractions de tellure inférieures à 0.5. Ainsi, bien que l’influence du tellure sur le facteur de puissance soit relativement limitée en raison de cette anomalie, des résultats intéressants ont été obtenus pour les fractions de tellure élevées. Par ailleurs, des problématiques autour d’une méthode de synthèse alternative du matériau ainsi que sa stabilité sous air sont également abordées dans ce travail

Prédictions de la stabilité et des propriétés électroniques de phases Heusler quaternaires par apprentissage automatique

National audienc

Screening quaternary Heusler by machine learning for application in thermoelectricity

International audienc