Criblage de composés intermétalliques ternaires pour des applications en thermoélectricité – ScrIn

Une approche double comprenant un volet théorique associé à un volet expérimental est utilisée dans notre projet afin d’explorer le plus grand nombre de composés possibles. Des calculs DFT sont réalisés afin de connaitre l’enthalpie de formation à 0K et la structure de bande électronique de chaque configuration (une configuration correspond à une association T-M-X donnée cristallisant dans un prototype structural donné). Différents critères de sélections sont ensuite appliqués pour cribler les configurations et d’identifier les composés stables et non métalliques. Pour certains composés, des calculs supplémentaires tels que le calcul des phonons ou l’estimation du coefficient Seebeck peuvent être réalisés pour affiner le criblage.
Dans un second volet, l’étude expérimentale permet de vérifier les prédictions théoriques. Dans un premier temps, une étape de synthèse des composés criblés est réalisée afin de vérifier leur stabilité. Pour les composés stables et monophasés, les propriétés électroniques (coefficient Seebeck, résistivité, effet Hall) ainsi que la conductivité thermique sont mesurées. Les candidats les plus prometteurs peuvent être par la suite optimiser notamment au travers de différents dopages afin d’améliorer leurs propriétés thermoélectriques.

Plusieurs prototypes structuraux ont déjà été calculés dans la première partie de ce projet avec à chaque fois une étude systématique des toutes les configurations possibles et pas uniquement celles déjà reportées dans les bases de données. Les premiers résultats obtenus, notamment pour les familles des Heuslers et des semi-Heuslers, ont permis de valider la robustesse de notre méthode. Les principaux résultats de ce projet reposent sur la mise en évidence de nouveaux composés potentiellement intéressants pour la thermoélectricité. Par ailleurs, l’attention portée au volet théorique a permis de valider la robustesse de notre modèle qui peut maintenant être appliqué à d’autres types de composés et/ou d’applications. Notre méthodologie et nos résultats théoriques ont notamment permis le développement d’une collaboration avec un laboratoire de recherche indien. La quantité importante de composés calculés a également permis d’établir une importante base de données qui est exploitée au sein d’une thèse dans notre équipe. Le sujet étant le prolongement de cet ANR avec notamment l’utilisation de techniques d’intelligence artificielle pour aller plus loin dans le criblage.

Les deux aspects de notre projet ont permis le développement de deux grands axes de perspectives. Le premier est basé sur l’étude expérimentale des composés criblés : certains n’ont pas encore été étudiés expérimentalement tandis que d’autres, déjà synthétisés, peuvent faire l’objet d’optimisation notamment en ce qui concerne leurs propriétés thermoélectriques. Dans le même temps, notre méthodologie de criblage théorique peut, elle, être appliquée à des familles de matériaux plus complexes ou employée pour d’autres applications cibles. Par ailleurs, la grande quantité de données accumulées au cours du projet au travers des calculs DFT, nous a permis de complexifier notre criblage notamment en utilisant des méthodes d’intelligence artificielle et de machine learning.

C. Barreteau, J.-C. Crivello, J.-M. Joubert and E. Alleno, Optimization of criteria for an efficient screening of new thermoelectric compounds: the TiNiSi structure-type as a case-study, (2020), ACS Combinatorial Science, 22 (12), 813-820

Moll, A., Hamidou, A., Crivello, J.-C. Joubert, J.-M., Alleno, E. and Barreteau, C., SrCuP and SrCuSb Zintl phases as potential thermoelectric materials, (2022) ACS Applied Energy Material (under review)

Les dispositifs thermoélectriques permettent de convertir un flux de chaleur en puissance électrique et inversement. Bien que ces dispositifs présentent plusieurs avantages par rapport à d’autres (compacité, fiabilité), leur faible rendement et leur coût de production élevé les cantonnent aujourd’hui à des applications de niches. Afin de s’affranchir de ces limitations, deux voies principales de recherche sont possibles : optimiser des matériaux thermoélectriques existants ou chercher de nouveaux matériaux prometteurs. C’est dans cette seconde optique que s’inscrit ce projet « Jeunes Chercheuses Jeunes Chercheurs ». En effet, il vise à découvrir de nouveaux matériaux thermoélectriques en utilisant une approche duale qui associe des calculs premiers principes de la structure électronique à des méthodes expérimentales.

Dans un premier temps, un criblage par le calcul sera opéré parmi toutes les combinaisons possibles de composés ternaires T-M-X avec M un élément issu de la première ligne des métaux de transition, X un élément sp et T un métal de transition des colonnes Ti, V et Cr ainsi que Sr, Ba, Y et La. Ces éléments T combinent les avantages d’un coût modéré et d’une forte masse atomique, nécessaire à de bonnes performances thermoélectriques. En amont des calculs, l’analyse des bases de données structurales a permis l’identification d’environ 450 prototypes possibles en accord avec notre ensemble T-M-X prédéfini. L’utilisation de calculs premiers principes basés sur la Théorie de Fonctionnelle de la Densité, appliqués aux prototypes les plus intéressants, vise à exclure les compositions instables et les métaux pour ne garder que les semi-conducteurs stables, potentiellement de bons matériaux thermoélectriques.

Le second volet du projet consiste à étudier expérimentalement l’ensemble restreint de composés, à priori semi-conducteurs stables, issus du volet de criblage théorique. Ainsi, des étapes de synthèses, caractérisations structurales et mesures des propriétés thermoélectriques seront entreprises sur ces composés afin de valider les résultats théoriques et de trouver des composés prometteurs. Pour ces derniers, l’optimisation des propriétés thermoélectriques, par dopage et substitution, sera réalisée afin d’augmenter leur facteur de mérite.

Ce projet, du fait de son approche duale qui allie calculs premiers principes et expériences, permet l’exploration de centaines de composés potentiels. Par ailleurs, l’originalité de ce projet réside principalement dans le fait que les taches théoriques et expérimentales sont sous la responsabilité d’un même chercheur, ce qui permet de le distinguer des approches classiques et offre la possibilité d’une cohérence et d’un suivi constant et immédiat entre les deux volets.