Apport de la DFT dans la recherche de nouveaux matériaux THERMOélectriques à base de chalcogénures magnétiques – ThermoDFT

La recherche de nouveaux matériaux thermoélectriques est un domaine de recherche très actif ayant donné lieu à la découverte de nouvelles familles de chalcogénures ces dernières années, avec des ZT proches ou supérieurs à 1. Le magnétisme présent dans les chalcogénures contenant des métaux de transition est un paramètre intéressant pour optimiser les propriétés via une modification de la structure de bande et/ou une modification de l’entropie des matériaux, ainsi qu’une modification de la conductivité thermique. Le rôle particulier joué par le magnétisme dans certains oxydes et sulfures a déjà été mis en evidence, mais il n’existe pas d’étude détaillée et approfondie sur son impact sur les propriétés thermoélectriques. Le but de ce projet est d’étudier les interactions entre les charges, les spins et les phonons dans trois familles de chalcogénures magnétiques, guidé par des calculs de Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Via l’étude des interactions entre le magnétisme et les propriétés thermoélectriques, le projet ThermoDFT vise à l’optimisation des propriétés thermoélectriques de ces chalcogénures.

Trois familles de matériaux seront étudiées, les pentlandites, les pyrites et les spinelles. Pour les pentlandites, le but est de graduellement induire du magnétisme dans ce métal de type Pauli et d’étudier comment ce magnétisme et les mécanismes de localisation associés peuvent permettre d’optimiser le facteur de puissance. Les pyrites présentent déjà des facteurs de puissance élevés et plusieurs stratégies de dopage seront utilisées pour réduire la partie phononique de la conductivité thermique. Enfin, les calculs de DFT dans la famille des spinelles permettront de définir les états électroniques et magnétiques pertinents dans cette structure pour optimiser le facteur de puissance et réduire la conductivité thermique.

Ce projet repose sur une collaboration approfondie entre les spécialistes de DFT du CPHT et les laboratoires CRISMAT et GPM, spécialistes des matériaux thermoélectriques et du magnétisme. Ces familles de matériaux seront systématiquement sondées par calculs DFT, et les propriétés de transport des matériaux les plus prometteurs seront calculées, à la fois pour la partie électronique et phononique. Les matériaux seront synthétisés sus forme de polycristaux et de monocristaux, puis les caractérisations structurales seront réalisées par diffraction X et par microscopie électronique à transmission au sein du CRISMAT. Les propriétés thermoélectriques y seront mesurées dans une très grande gamme de températures (2K- 1000K) et jusqu’à 14T. En parallèle, les propriétés magnétiques seront étudiées par magnétométrie à SQUID et par spectrométrie Mössbauer au sein du GPM, une technique permettant d’étudier à l’échelle locale le magnétisme et le désordre et d’obtenir des informations cruciales sur le cation magnétique selon son environnement cristallographique (état de valence, spin, direction du moment magnétique). Les calculs DFT seront systématiquement couplées tout au long du projet à l'analyse des résultats expérimentaux. De nouvelles stratégies pour optimiser les propriétés thermoélectriques de ces chalcogénures magnétiques pourront ainsi être définies.

Par son approche fondamentale, ce projet correspond parfaitement au CES ‘Sciences de base pour l’Energie’ puisqu’il vise à obtenir une meilleure connaissance des interactions entre magnétisme et propriétés thermoélectriques, et à définir de nouvelles familles de matériaux thermoélectriques via cette approche originale. Ces matériaux ont des applications potentielles dans le domaine de la récupération d’énergie, mais le projet contribuera également à une meilleure compréhension de la conductivité thermique de ces matériaux, une quantité cruciale dans de nombreuses applications liées à l’énergie, avec des applications comme des barrières thermiques ou pour la gestion de la chaleur en microélectronique.