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Programme de recherche du GDR Thermoélectricité (suite)

 

Propriétés physiques des matériaux thermoélectriques

La thermoélectricité implique nécessairement l’étude et la compréhension de la résistivité électrique, de la conductivité thermique et du coefficient Seebeck. Outre ces trois grandeurs, d’autres effets thermoélectriques tels que l’effet Nernst ont également été discutés dans les réunions du GDR. Ces thématiques restent d’actualité pour cette proposition de prolongation. Les discussions entre expérimentateurs et théoriciens sur les différentes classes de matériaux actuellement étudiées permettent en effet de mieux comprendre les paramètres pertinents pour la compréhension de la thermoélectricité selon le type de matériaux. Les structures de bande de ces matériaux peuvent être fortement modifiées selon l’importance des corrélations électroniques et des couplages spin-charge-réseaux. De nombreuses techniques expérimentales complémentaires des mesures thermoélectriques sont alors nécessaires pour sonder la densité d’états dans ces matériaux (telles que photoémission, oscillations de Haas van Alphen…), et le but de ce GDR est aussi de faire participer des spécialistes de ces techniques pour présenter leur apport potentiel dans le domaine de la thermoélectricité. Certaines de ces techniques peuvent être essentielles dans le domaine des matériaux nanostructurés. La possibilité de travailler sur ces nanostructures permet de plus d’envisager de nouveaux types de modélisation, issus du domaine de la physique mésoscopique.

La conductivité thermique est une grandeur fondamentale en thermoélectricité. C’est une propriété de transport qui est délicate à mesurer pour l’expérimentateur et qui est difficile à modéliser pour le physicien du solide. En effet, elle fait non seulement intervenir la densité d’états des phonons mais aussi leur vitesse de groupe et leur temps de relaxation. L’interprétation des résultats expérimentaux se base souvent sur l’approche phénoménologique développée par Callaway. Si ce modèle a permis de rendre compte des dépendances en température de bons nombre de matériaux (semi-conducteurs, isolants,…), il ne permet pas d’interpréter ou de prédire de manière correcte les résultats qui sont obtenus dans les matériaux nanostructurés massifs ou de basse dimensionnalité. Le défi dans ces matériaux est de décrire correctement les phénomènes physiques qui interviennent aux interfaces et aux petites échelles. Par ailleurs, les mécanismes microscopiques qui sont responsables de la réduction de la conductivité thermique dans les structures cristallines ouvertes (skutterudites par exemple) intéressantes pour la thermoélectricité posent encore de nombreuses questions. Des outils expérimentaux puissants basés sur de la spectroscopie ont été mis en œuvre pour sonder la dynamique de réseaux dans ces matériaux et ont permis de donner des éclairages intéressants. Nous souhaitons mettre les aspects thermiques plus en avant dans la nouvelle version du GDR en sollicitant par exemple des personnalités reconnues internationalement sur le domaine.

Bon nombre de laboratoires du GDR ont depuis longtemps développé un savoir-faire unique et des protocoles de mesures électriques et thermiques qui leurs sont propres. Un des objectifs de ce GDR est de standardiser les protocoles de mesure afin de pouvoir déterminer de façon absolue et de comparer les performances des matériaux synthétisés par les différents partenaires.  La standardisation des techniques de mesures peut se faire en utilisant une série d'échantillons test : des matériaux massifs, des couches minces et des matériaux nano-structurés ou anisotropes. Ces échantillons synthétisés par différentes équipes du GDR pourront être caractérisés sur tous les dispositifs expérimentaux du GDR. Il sera alors possible de maîtriser les erreurs systématiques de mesure et de définir un protocole de mesure propre à chaque méthode de caractérisation. Le GDR pourra alors se doter d'une plateforme de caractérisation complète (en température, sous champ magnétique) permettant une étude d'échantillons sous forme de matériaux massifs, couches minces ou nanomatériaux. 

 

 

 

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