Propriétés thermoélectriques de matériaux nanocomposites

Abstract

This dissertation presents a theoretical study of heat transport in nanoporous composites andin nanowire and also theoretical study of thermoelectric properties of the Si0:8Ge0:2 alloywith some experimental new and old measurements.The first study on the porous alloys show that its can display thermal conductivity reductionsat considerably larger pore sizes than nonalloyed porous materials of the same nominalporosity. The thermal conductivity of Si0:5Ge0:5 alloy with 0.1 porosity becomes half thenonporous value at 1000 nm pore sizes, whereas pores smaller than 100 nm are required toachieve the same relative reduction in pure Si or Ge. Using Monte Carlo simulations, we alsoshow that previous models had overestimated the thermal conductivity in the small pore limit.Our results imply that nanoporous alloys should be advantageous with respect to nanoporousnonalloys, for applications requiring a low thermal conductivity, such as novel thermoelectrics.The second theoretical study on the nanowire thermal conductance reveals the structureeffect on the phonon transport. With a theoretical model that considers the frequency dependenceof phonon transport, we are able to quantitatively account for the experimental resultsof straight and bent nanowires in the whole temperature range which shows that due to andouble bend on the straight thermal conductance reduced by 40% at temperature 5K.Finally, we theoretically investigate the thermoelectric properties of sintered SiGe alloys,compare them with new and previous experimental measurements, and determine their potentialfor further improvement. The theoretical approach is validated by extensive comparisonof predicted bulk mobility, thermopower, and thermal conductivity, for varying Ge and dopingconcentrations, in the 300 �� 1000K temperature range. The effect of grain boundariesis then included for Si0:8Ge0:2 sintered nanopowders , and used to predict optimized valuesof the thermoelectric figure of merit at different grain sizes. Our calculations suggest thatfurther optimization of current state of the art n-type (p-type) material would be possible,possibly leading to 6% (5%) ZT enhancement at 1000K and 25% (4%) at room temperature.Even larger enhancements should be possible if the phonon scattering probability of the grainboundaries could be increased beyond its present value of 10%.Cette thèse présente une étude théorique du transport de chaleur dans les matériaux composites nano poreux et nano fils ainsi qu'une étude théorique des propriétés thermoélectriques de l'alliage Si0:8Ge0:2 confrontée à des mesures expérimentales réalisées pour une partie, dans le cadre de l'étude.La première étude démontre que les alliages poreux affichent des réductions de conductivité thermique à des dimensions de pores beaucoup plus grandes que les matériaux poreux non alliés de même porosité nominale. Si on considère une taille de pores de 1000nm, la conductivité thermique de l'alliage Si0:5Ge0:5 avec 0:1 de porosité est deux fois plus faible que la conductivité thermique d'un matériau non poreux, alors que les pores plus petits que 100 nm sont nécessaires pour obtenir la même réduction relative dans le Si ou Ge pur. Nos résultats indiquent que les alliages nano poreux devraient être avantageux devant les matériaux nano poreux non alliés, et ceux pour les applications nécessitant une faible conductivité thermique, tels que les nouveaux matériaux thermoélectriques.La deuxième étude théorique sur la conductance thermique de nano fils révèle l'effet de la structure sur le transport des phonons. Avec un modèle théorique qui considère la dépendance en fréquence du transport des phonons, nous sommes en mesure quantitativement de rendre compte des résultats expérimentaux sur des nano fils droits et coudés dans la gamme de température qui montre qu'un double coude sur un fil réduit sa conductance thermique de 40% à la température de 5K. Enfin, nous avons procédé à une approche théorique des propriétés thermoélectriques des alliages SiGe frittés, en les comparant aux mesures expérimentales nouvelles et antérieures, tout en évaluant leur potentiel d'amélioration. L'approche théorique a été validée par comparaison de la mobilité prévue et la conductivité thermique prévues, en faisant varier la quantité de Ge et les concentrations de dopage, dans une gamme de température comprise entre 300 et 1000K. Nos calculs suggèrent qu'une optimisation par rapport à l'état de l'art actuel est possible pour le matériau de type n et type p, conduisant potentiellement à une augmentation de 6% (5%) du ZT _a 1000K et 25% (4%) _a température ambiante. Même des améliorations plus grandes devraient être possibles si la probabilité de diffusion des phonons aux joints de grains pouvait être augmentée au-delà de sa valeur actuelle de 10%