De récentes études montrent que les films minces présentent des performances thermoélectriques nettement plus importantes (jusqu'à un facteur 3) que celles obtenues dans les matériaux massifs. Nous avons choisi de développer des couches minces thermoélectriques Bi0,5Sb1,5Te3 de type p et Bi2Te2,7Se0,3 de type n présentant les performances thermoélectriques les plus intéressantes à des températures proches de l'ambiante. La technique de dépôt utilisé est la PVD magnétron. L'optimisation des conditions de dépôt (pression Ar, puissance plasma, distance cible-substrat et temps de dépôt) ainsi que du traitement thermique de recuit a permis obtenir des figures de mérite ZT les plus élevées possibles. De plus, les phénomènes physiques mis en jeu dans les films minces étant différents de ceux des massifs, il a été nécessaire des les étudier pour améliorer les performances thermoélectriques des couches minces. De petits dispositifs thermoélectriques en couche minces ont pu être réalisé et caractérisé. En parallèle nous avons exploré la possibilité de faire croître des filaments thermoélectriques de compositions semblables aux couches et de dimensions manométriques au sein d'une matrice d'alumine nanoporeuse. En effet la réduction des dimensions géométriques permet d'augmenter les performances thermoélectriques des matériaux. Nous avons pu réaliser les premiers fils n et p ainsi que les premières caractérisations thermoélectriques.

Dans un contexte de développement durable et d’automatisation de notre environnement, l’utilisation de capteurs sans-fil distribués est croissante. Hors l’usage et le remplacement de piles s’avère coûteux. La consommation énergétique de plus en plus faible de l’électronique rend l’extraction énergétique de l’énergie ambiante envisageable. La chaleur résiduelle est une source d ’énergie intéressante puisqu’elle est la forme finale de la majeure partie de l’énergie utilisée par l’humain. Cependant, à petite échelle, seuls les éléments thermoélectriques sont disponibles. Les présents travaux s’intéressent donc à explorer et comparer des mécanismes de génération alternatifs. Puisque la majorité des mécanismes de transduction alternatifs sont dynamiques, leur utilisation requiert une transformation de l’énergie thermique continue en oscillations. Les mécanismes étudiés ont donc tous en commun de posséder un oscillateur thermique en plus d’un mécanisme de transduction vers la forme d ’énergie électrique. Parmi les divers mécanismes identifiés, deux sont étudiés en détails pour comprendre leurs comportements ainsi que connaître leur efficacité et leur puissance potentielle. Le premier générateur étudié théoriquement est basé sur le changement de ferromagnétisme d’une masse suspendue par des ressorts au-dessus d’un aimant. Les comportements du modèle développé correspondent aux comportements reportés dans la littérature. Deux paramètres de conception principaux ont été identifiés, perm ettant un contrôle de la fréquence, de la plage de températures d’opération. De plus le mécanisme peut opérer avec de faibles différences de température et des températures proches de l’ambiant, ouvrant la porte à des applications utilisant la chaleur du corps humain. L’utilisation de matériau pyroélectrique comme mécanisme de transduction pourrait offrir des densités de puissance électrique envisageables de l’ordre de 1 m W / c m 3. Le second générateur étudié expérimentalement est basé sur l’évaporation explosive d’un liquide surchauffé en absence de sites de nucléation. Un premier prototype a permis de démontrer, pour la première fois, le fonctionnement d’un tel cycle. Une étude de l’effet de la température de la source de chaleur et de l’effet du débit de liquide montre qu’une zone d’opération idéale est présente. La puissance de sortie maximale mesurée est de l’ordre de 1.6//W. Des améliorations sont proposées pour faire croître cette puissance de deux ordres de grandeur. Finalement, l’utilisation du pompage capillaire pour rendre le système autonome est démontré, mais reste sensible aux variations de conditions. Finalement, l’étude des dispositifs montre que les microgénérateurs à base d’oscillateurs thermiques peuvent présenter un intérêt, par rapport aux éléments thermoélectriques, dans les applications où les températures sont faibles ou incertaines. Cependant, ces mécanismes souffrnt d’une très faible efficacité causée par les multiples transformations énergétiques à faible couplage. [symboles non conforme]

L'utilisation de dispositifs thermoélectriques à base de films minces en SiGe est envisagée dans de nombreuses applications comme la micro-génération de puissance ou le refroidissement localisé de composants microélectroniques. Le SiGe possède en effet un net avantage en terme d'integrabilite mais souffre cependant d'un déficit en terme de performances. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la nanostructuration de ce matériau en super-réseau de boîtes quantiques (SRBQ), celle-ci devant permettre une forte augmentation de son facteur de mérite, rendue possible par une forte altération du transport thermique à l'échelle nanométrique. La réalisation, par un outil CVD de type industriel, à 750 °C, de SRBQ monocristallins lourdement dopés est présentée à partir d'analyses morphologiques (AFM), structurales (MEB, MET) et chimiques (SIMS). Des phénomènes de forts échanges Si-Ge pendant la croissance sont notamment mis en évidence et corrélés avec des mesures de conductivité thermique qui ne démontrent pas un effet significatif des boîtes sur le transport thermique. L'élaboration de structures polycristallines originales est également présentée. Enfin, la question cruciale de la détermination du facteur de mérite est abordée, notamment concernant les problèmes d'incertitudes de mesure. Une / Use of SiGe thin film thermoelectric devices is planed in many applications such as power microgeneration or local cooling of microelectronic components. One main advantage of SiGe relies on its ability to be monolithically integrated in ICs. However, SiGe is affected by a low coefficient of performance. Within the framework of this thesis, we focused on the nanostructuration of this material in the form of quantum dot superlattices (QDSL), which is expected to allow a strong increase of its figure-of-merit, by altering thermal transport at the nanometer scale. The growth of heavily doped monocrystalline QDSL in an industrial CVD tool at 750°C is presented from morphological (AFM), structural (SEM, TEM) and chemical (SIMS) analysis. Strong Si-Ge intermixing phenomenons are notably brought out and correlated with thermal conductivity measurements that do not demonstrate a significant effect of dots on thermal transport. The growth of original polycrystalline structures is also presented. Eventually, the crucial question of the figure-of-merit determination is addressed in particular with regard to the measurement uncertainty problem. One solution consisting in measuring simultaneously several electrical, thermal and thermoelectric parameters on a same sample is put forward and concretely implemented by the simultaneous fabrication of adapted test devices.

Ce travail de thèse a pour objectif l’obtention de nanocomposites denses ZnO/SiO2 afin d’améliorer les propriétés thermoélectriques de l’oxyde de zinc. Ce manuscrit décrit différents aspects de l’élaboration tant en terme de synthèse que de densification de nanocomposites ZnO/SiO2 ainsi que leur caractérisation. Afin d’obtenir des nanoparticules en grande quantité, de bonne cristallinité et de taille inférieure à 10 nm, l’optimisation d’une synthèse par voie polyol en jouant sur différents paramètres (pH, température, taux d’hydrolyse, solvant, surfactant) a été réalisée. Nous avons pu mettre en évidence l’intérêt d’utiliser l’acide benzoïque comme surfactant pour éviter l’agglomération de ces nanoparticules. La modification de surface des nanoparticules par de la silice a ensuite été explorée. Cette modification a été réalisée par une méthode classique, le procédé Stöber, ainsi que par une technique moins conventionnelle, l’ALD. Une étude approfondie de la densification par SPS à la fois de l’oxyde de zinc et des nanoparticules recouvertes a été décrite. L’influence de la couche amorphe déposée sur la croissance cristalline des nanoparticules a été démontrée. Nous avons par ailleurs pu mettre en exergue une pollution importante par du carbone lors de la densification des composés entrainant des modifications importantes des propriétés de transport. Le résultat majeur de cette thèse est la mise en évidence de clusters d’oxyde de zinc fortement dopés dans ces composés qui remet en question les mécanismes de transport dans le ZnO. / This study is focusing on the synthesis of nanocomposites of Al doped ZnO/SiO2 with high density in order to increase the thermoelectric properties of ZnO. This work describes the optimization of the synthesis by investigating the effect of different experimental parameters (temperature, type of surfactant, degree of hydrolysis, nature of the solvent, pH) to obtain large amount of nanoparticles with size below 10 nm and good crystallinity. We have identified that using benzoic acid as surfactant could avoid the formation of particle aggregates. The modification of nanoparticles surfaces with SiO2 was investigated by using two methods the Stöber process and ALD. The possibility of ZnO and nanocomposite powder densification by spark plasma sintering was also tackled as well as the role played by the main parameters of the method (applied pressure and the best moment of its application, heating rate). The influence of the amorphous shell on the limiting grain growth during the sintering was demonstrated. Furthermore, a carbon accumulation which modifies the thermoelectric properties in the densified pellet was demonstrated. The source of it was assigned in part to the densification process. The most significant result of this study was the finding of the presence of ZnO clusters strongly doped wich could have fundamental implications as it may reopen the discussion on the transport mechanism in ZnO.

Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une étude sur les matériaux massifs thermoélectriques nanostructurés, composés dont les propriétés peuvent potentiellement être améliorées grâce aux nombreuses interfaces. Il concerne la réalisation et la caractérisation de composites à matrices skutterudites (CoSb3 ou In0,4Co4Sb12) contenant différents taux d’inclusions nanométriques de PbTe ou de ZnO. Des techniques de métallurgie des poudres et de fracturation laser en milieu liquide ont été conjuguées à divers moyens de caractérisation (RX, MEB, MET) pour mettre au point le protocole d’élaboration des matériaux. L’observation des microstructures des composites a révélé que l’étape de dispersion des particules dans le matériau est la plus délicate de la préparation. Celles-ci forment des amas localisés aux joints de grains. La porosité est également relativement importante lorsque le taux d’inclusions est élevé en particulier avec ZnO. Les propriétés électriques (pouvoir thermoélectrique, résistivité électrique, effet Hall) et thermiques (conductivité thermique) ont été mesurées sur une large gamme de température (2-800 K) puis corrélées aux microstructures. L’analyse des résultats a permis de montrer que le PbTe tend à dégrader les propriétés électriques des deux matrices du fait notamment d’une réaction des nanoparticules avec les skutterudites. Par contre, l’ajout de ZnO semble plus prometteur même s’il est difficile de conclure définitivement quant à son rôle réel compte tenu de la complexité des microstructures (défauts, pores, joints de grains). Un modèle théorique développé afin de mieux comprendre l’impact des tailles de particules sur les propriétés thermiques a mis en évidence qu’il est plus intéressant de travailler avec des skutterudites partiellement remplies plutôt qu’avec CoSb3 puisque les inclusions affectent majoritairement les phonons les moins énergétiques. Les tendances qui se dégagent de cette étude vont plutôt dans le sens d’une détérioration des propriétés avec ce type de nanostructuration lorsque les taux de nanoparticules excèdent quelques pourcents mais l’utilisation de quantités plus faibles et une porosité mieux maîtrisée pourrait avoir un effet positif / This work was carried out as part of a study on nanostructured bulk thermoelectric materials, compounds whose properties can potentially be improved with many interfaces. It is related to the synthesis and characterization of skutterudites (CoSb3 or In0.4Co4Sb12) containing nanoinclusions of PbTe or ZnO. Techniques of powder metallurgy and laser fragmentation in liquid medium were combined to X-rays diffraction analyses, SEM and TEM observations to develop the experimental procedure for the preparation of materials. The microstructures of the composites show that the dispersion step is the most difficult part of the preparation as it leads to agglomerates located at the grain boundaries. The porosity is also relatively large when the quantity of inclusions is high especially with ZnO. The electrical and thermal properties (thermoelectric power, electrical resistivity, Hall effect, thermal conductivity) have been measured over a wide temperature range (2-800 K) and correlated with the microstructures. The results analysis showed that PbTe tends to degrade the electrical properties of the two matrixes because of a reaction between the nanoparticles and the skutterudites. Contrarily, the addition of ZnO seems more promising although it is difficult to conclude definitively on its effectiveness given the complexity of the microstructures (defects, pores, grain boundaries). A theoretical model developed to better understand the impact of the particle sizes on the thermal properties showed that it is more interesting to work with partially filled skutterudites instead of pure CoSb3 since the inclusions mostly affect the scattering of long wavelength phonons. The trends that emerge from this study are rather in the sense of a deterioration of the thermoelectric properties with this type of nanostructure when the quantities of nanoparticles exceed a few percentage. The use of smaller quantities and a better controlled porosity should be considered

L’étude de matériaux thermoélectriques nanocomposites et nanostructurés est en plein essor suite à l’intérêt de multiplier le nombre d’interfaces et de diminuer la taille des objets pour améliorer les performances. Nous avons mis au point une nouvelle méthode de préparation de nanopoudres thermoélectriques de type n (Bi0.95Sb0.05)2(Te0.95Se0.05)3 et de type p (Bi0.2Sb0.8)2Te3, à partir de la fracturation laser en milieu aqueux de poudres de taille micrométrique. La cellule de préparation développée permet d’obtenir par jour environ 200 mg de poudres nanométriques cristallisés présentant la structure cristallographique des poudres initiales et dont la taille moyenne est comprise entre 7 et 12 nm. Les mécanismes mis en jeu dans l’obtention des nanoparticules ont été abordés. Ils dépendent fortement de la densité d’énergie du faisceau laser. Les nanopoudres ont ensuite été mélangées mécaniquement aux poudres micrométriques de même nature et ont été compactées à froid. Les propriétés thermoélectriques (résistivité électrique, pouvoir thermoélectrique, conductivité thermique) des nanocomposites ont été évaluées à température ambiante. Les premiers résultats montrent que même si le pouvoir thermoélectrique est maintenu dans les matériaux nanostructurés et nanocomposites et que la conductivité thermique totale peut, de manière tout à fait exceptionnelle, être diminuée d’un facteur deux, la résistivité électrique obtenue est jusqu’alors trop élevée pour conduire à de bonnes performances en terme de facteur de mérite adimensionnel, par rapport à un matériau massif conventionnel de même composition / The study of thermoelectric nanostructured and nanocomposite materials is expanding because of the interest to multiply the number of interfaces and to decrease the size of the objects in order to improve the thermoelectric performance. We developed a new method to prepare thermoelectric n type (Bi0.95Sb0.05)2(Te0.95Se0.05)3 and p type (Bi0.2Sb0.8)2Te3 nanopowders, from the laser fracture in a liquid medium of powders of micrometric size. The developed cell preparation makes it possible to obtain per day approximately 200 mg of crystallized nanometric powders having the crystallographic structure of the initial powders and whose mean size lies between 7 and 12 nm. The mechanisms concerned in obtaining the nanoparticules were approached. They strongly depend on the density of energy of the laser beam. The nanopowders then were mechanically mixed with the micrometric powders of comparable nature and were cold pressed. The thermoelectric properties (electrical resistivity, thermoelectric power, thermal conductivity) of the nanocomposites were evaluated at room temperature. The first results show that even if the thermoelectric power is maintained in nanostructured and nanocomposite materials and that the total thermal conductivity can, in a completely exceptional way, being decreased by a factor two, the electrical resistivity obtained is hitherto too high to lead to high values of the dimensionless thermoelectric figure of merit, with regard to conventional bulk materials of same composition

Les préoccupations environnementales actuelles ont conduit à un regain d’intérêt pour la conversion d'énergie par effets thermoélectriques au cours de ces 20 dernières années. Le challenge lié à cette technologie consiste à découvrir des matériaux qui possèdent à la fois une faible conductivité thermique, une forte conductivité électrique et un fort pouvoir thermoélectrique. Les travaux présentés dans ce mémoire se sont orientés vers l'étude de phases cristallines complexes à base de Mo3Sb7. Contrôler finement les propriétés électriques et thermiques de ces matériaux par le biais de substitutions appropriées et relier les propriétés physiques aux propriétés structurales et électroniques ont été au coeur de ces travaux de recherche. Des résultats significatifs ont ainsi pu être obtenus tant au niveau de la synthèse et de la caractérisation physico-chimique qu'au niveau des propriétés magnétiques et de transport. En particulier, nous avons pu mettre en évidence les propriétés exotiques du composé Mo3Sb7 dont la compréhension s'est révélée indispensable pour l'étude des propriétés de transport des matériaux substitués ternaires et quaternaires. Les différentes possibilités de substitution ont alors permis d'améliorer de façon substantielle les performances thermoélectriques du composé Mo3Sb7 et ont, de ce fait, conduit à la découverte de nouveaux matériaux surpassant les meilleurs matériaux connus à ce jour (Si-Ge) et utilisés sur la gamme 900 - 1200 K dans des applications en génération d'électricité / Due to current environmental concerns, a resurgence of interest in thermoelectricity have been witnessed by the last 20 years. The challenge raised by this technology lies in identifying materials that display low thermal conductivity as well as both high electrical conductivity and thermopower. The work presented in this manuscript deals with a thorough study on molybdenum-antimony based complex crystalline structure. To finely control the thermal and electrical properties of these compounds through judicious substitutions and to link up physical and structural properties were at the heart of this in-depth study. Not only did we obtain outstanding results regarding the synthesis and both the chemical and structural characterizations but we also discovered intriguing magnetic and transport properties. Particularly, we emphasized the exotic properties exhibited by the binary Mo3Sb7 compound whose a deep understanding were essential to study the transport properties of the ternary and quaternary alloys. The different substitutions we have considered were found to substantially improve the thermoelectric properties of the Mo3Sb7 compound and thus, led to the synthesis of new prospective thermoelectric materials that surpass the best compounds discovered up-to-now (Si-Ge) and used in power generation applications in the 900 – 1200 K temperature range

Le graphène planaire se présente comme un des matériaux les plus prometteurs pour la nanoélectronique de demain, grâce particulièrement à sa conductivité thermique et sa mobilité électronique qui sont les plus élevées jamais mesurées dans un solide. Parmi ses allotropes, le graphène découpé en nanorubans est une des formes les plus intéressantes, notamment pour les possibilités d'ingénierie de bandes qu'il offre. Ses propriétés électroniques et vibrationnelles sont fortement influencées par la présence des bords et s’éloignent de celles du graphène planaire. A ce jour, ses propriétés thermiques et thermoélectriques ont été encore peu explorées. Dans ce travail de thèse, grâce à une modélisation atomistique du réseau cristallin, les modes de vibration caractéristiques de chaque type de ruban ont été identifiés et, dans le cadre du formalisme des fonctions de Green hors équilibre, le transport de ces modes a été simulé. On a ainsi évalué les propriétés thermiques des nanorubans en identifiant les types de rubans offrant la plus forte conductance thermique pour envisager une meilleure gestion de la chaleur dans les dispositifs du futur. Dans la direction opposée, des techniques de nanostructuration du ruban permettent de dégrader le transport des phonons et d’amplifier la figure de mérite thermoélectrique en bénéficiant simultanément d'un phénomène de transport électronique résonant. En exploitant ces techniques, un premier dispositif thermoélectrique basé sur les nanorubans de graphène a été conçu et ses performances ont été évaluées par une approche multi-échelle. La possibilité de très forte densité d’intégration du graphène fait l’intérêt d’un tel dispositif qui pourrait fournir des puissances électriques ou de refroidissement très supérieures à celles des dispositifs thermoélectriques actuels. / 2D graphene is one of the most promising materials for nanoelectronics; its thermal conductivity and electronic mobility are the highest ever measured in solids. Among its allotropes, graphene cut in nanoribbons (GNRs) is one of the most interesting structures because it offers possibilities of bandgap engineering. Electronic and vibrational properties of GNRs are strongly affected by the presence of the edges and can differ significantly from those of 2D graphene. Up to now, their thermal and thermoelectric properties have been rarely explored. In this thesis, using an atomistic model of crystal lattice, the vibrational modes associated to each type of ribbon have been identified and via the formalism of nonequilibrium Green’s functions, the transport of these modes has been simulated. We have evaluated the better ribbon structures in terms of thermal conductance for a better heat management in future devices and circuits. On the other side we have identified some particular nanostructured ribbons where the thermoelectric figure of merit is strongly amplified thanks to both the degradation of phonon conductance and the occurring of resonant electron transport. A first thermoelectric device based on such GNRs has been designed and its performance has been evaluated using a multi-scale approach. This device becomes interesting in the case of high integration density of GNRs.

Depuis les années 90, dans le contexte de la pénurie annoncée d'énergies fossiles et de modifications climatiques, un regain d'intérêt s'est fait sentir pour les énergies renouvelables et, parmi elles, pour la thermoélectricité. Cette dernière permettant la conversion directe entre énergies thermique et électrique devrait permettre la récupération de l'énergie perdue sous forme de chaleur, durant les processus industriels. Cependant, à l'heure actuelle, l'efficacité de la conversion thermoélectrique, évaluée à partir du facteur de mérite, ZT, n'est pas suffisante pour des applications à grande échelle. Cependant, pour évaluer l'impact potentiel de la thermoélectricité, il est nécessaire de prendre en compte d'autres critères que celui de l'efficacité relativement faible de la thermoélectricité, qui la cantonne dans des niches spécifiques, et tels que la faible toxicité des matières premières, leur abondance, leur faible coût et leur facilité de mise en œuvre. Diverses familles de matériaux répondent à ces critères parmi lesquelles les plus favorables sont les siliciures pour les matériaux inorganiques et les polymères conducteurs pour les composés organiques. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au disiliciure de chrome (CrSi2) et au polymère PEDOT:PSS.Parmi les siliciures, CrSi2 est un candidat prometteur mais sa grande conductivité thermique est un handicap par rapport aux matériaux conventionnels. Elle peut cependant être réduite par nanostructuration. Nous présentons une étude CrSi2 nanostructurés (10-15 nm) obtenus soit par four à arc suivie d'un broyage mécanique, soit par mécanosynthèse. Ces poudres sont chimiquement stables jusqu'à 1073 K. A plus hautes températures, des phases secondaires apparaissent, notamment CrSi. Grâce à la technique SPS, CrSi2 a pu être densifié jusqu'à 94% en maintenant une taille nanométrique (30-45 nm) ce qui a conduit à une réduction de la conductivité thermique d'un facteur 2 par rapport au composé CrSi2 massif. Malheureusement, le facteur de mérite ZT n'a pas été amélioré en raison de l'accroissement de la résistivité électrique.Guidés par des calculs DFT, nous avons explorés de nouvelles voies de dopage pour améliorer les propriétés thermoélectriques de CrSi2. Des alliages Cr1-xTixSi2, Cr1-xZrxSi2 et Cr1-xMoxSi2 ont ainsi été synthétisés et nous avons étudié leurs propriétés thermoélectriques. A Tamb, le dopage au Ti semblerait de ne pas significativement améliorier le facteur de puissance (PF) pour une porosité de 11% par rapport à nano-CrSi2. Par contre, pour 2% Zr, PF a été amélioré d'un facteur 1.7 pour une porosité de 30%. En plus, il semblerait que le PF de Cr0.98Zr0.02Si2 avec une porosité de 0% est amélioré d'un factuer 1.9 par rapport au CrSi2 massif. Néanmoins, à hautes températures il existe encore un potentiel d'amélioration pour le dopage au Ti. Bien qu'il soit métastable, l'alliage Cr1-xZrxSi2 a pu être obtenu jusqu'à 5% Zr. Une optimisation supplémentaire est encore nécessaire pour les alliages dopés au Ti et Zr. L'alliage Cr1-xMoxSi2 est le plus prometteur avec une amélioration significative du facteur de Mérite (ZTmax > 0.2) pour 10% et 20% de Mo entre 500 et 700 K. Ces valeurs sont supérieures à celle du massif bien que toujours du même ordre de grandeur que le meilleur ZT obtenu pour CrSi2.Enfin, nous avons élaboré des composites à base de CrSi2 associé à du Polypyrrole (PPy) ou du PEDOT:PSS. Aucune amélioration significative n'a été obtenue pour le composite PPy-CrSi2. Dans le cas du PEDOT:PSS, nous avons testé la fonctionnalisation de CrSi2 pour améliorer sa dispersion dans le polymère. Nous avons montré qu'un agent de fonctionnalisation avec un groupement phosphonique réagissant avec Cr est le plus efficace. Cette étape est très prometteuse car il s'agit de la première étude de ce type effectuée dans le cas de l'élaboration de composites à base de siliciures intermétalliques pour des applications thermoélectriques. / In the context of renewable energies, which is related to the shortage of fossil energies and climate change, thermoelectricity has regained interest in recent years (1990s). The concept of this technology is the direct conversion between thermal and electrical energies. This can contribute to a progress in the industrial sector. However, the efficiency of the thermoelectric materials, denoted ZT (figure of merit), is not sufficient for large scale applications. Nevertheless, thermoelectricity can be found in the niche market sector where other criteria are taken into account such as the abundance of the raw elements, their price and toxicity. Several families meet these criteria with the silicides as inorganics materials and conductive polymers as organics materials being the most favorable. The objective of this dissertation was to investigate the chromium disilicide (CrSi2) and PEDOT:PSS.Among the silicides, CrSi2 stands as a promising candidate for thermoelectric applications. However, its relatively high thermal conductivity compared to the conventional materials is considered as a drawback. Therefore, we were interested in nanostructuration in order to reduce this thermal conductivity. Nanostructured CrSi2 is synthesized by arc melting followed by mechanical milling or mechanical alloying with a grain size of 10-15 nm. These powders have a good chemical stability up to 1073 K. Above this temperature, secondary phases, such as CrSi, are formed. SPS processing permits to efficiently densify our pellets up to 94% while maintaining nanometric grain size (30-45 nm). This leads to a reduction of the thermal conductivity by a factor of 2 compared to bulk CrSi2. However, the Figure of merit (ZT) does not improve as the electrical resistivity increases.DFT calculations predict that some doping elements have potentiality to improve CrSi2 electronic structure. Therefore, Cr1-xTixSi2, Cr1-xZrxSi2 et Cr1-xMoxSi2 alloys are synthesized in order to enhance the thermoelectric properties of CrSi2. At RT, The power factor of Cr0.9Ti0.1Si2 seems not to be improved compared to nano-CrSi2 for a porosity of 11%. On the other hand, 2% Zr doping improved the power factor by 1.7 at RT for a porosity of 30%. It also seems that for 0% porosity, the power factor of Cr0.98Zr0.02Si2 is improved by a factor 1.9 compared to bulk CrSi2. Nevertheless, an improvement could be predicted at high temperatures for Cr0.9Ti0.1Si2. Although Cr1-xZrxSi2 alloy is metastable, we were able to synthesize it by mechanical alloying up to 5%. Further optimization is needed for improving the thermoelectric performances of Ti and Zr- doped CrSi2 . On the other hand, Cr1-xMoxSi2 alloys seem to be the most promising as an increase of the Figure of merit is observed with a ZTmax reaching values larger than 0.2 for Cr0.9Mo0.1Si2 and Cr0.8Mo0.2Si2 in the temperature range of 500-700 K. These values are higher compared to the bulk but still in the same order of magnitude as for the highest ZT value report for CrSi2.We then elaborated CrSi2 based composites with Polypyrrole (PPy) and PEDOT :PSS. No significant enhancement was observed for PPy-CrSi2 composites. In order to improve the dispersion of CrSi2 in the PEDOT :PSS, we have tested the functionnalization. Preliminary tests show that grafting agents with phosphonic acid group is the most efficient by reacting with Cr. This step is very promising as no study till date reported the functionnalization approach for the elaboration of silicides based composites, especially for thermoelectric applications.

Dans le contexte énergétique actuel, la thermoélectricité, basée sur la conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique, est en plein essor. Cette technologie, qui permet de récupérer l'énergie perdue sous forme de chaleur au cours de processus industriels, est basée sur l'utilisation de modules thermoélectriques. Ces modules sont constitués de la juxtaposition de branches thermoélectriques, constituées de semi-conducteurs n et p, reliées par des jonctions électriques. Dans la gamme de températures de 300 à 600°C, les matériaux de type skutterudite RM4X12 (R : terre rare, M : métal de transition, X : pnictogène) présentent des propriétés thermoélectriques intéressantes. Cependant, les propriétés aux interfaces entre les jonctions électriques et le matériau thermoélectrique jouent un rôle très important dans la performance des modules thermoélectriques. Il est nécessaire de minimiser les pertes électriques et thermiques au niveau de ces interfaces. De même, en zone chaude principalement, il est impératif de limiter l'inter-diffusion entre les éléments constituant le matériau thermoélectrique et le matériau utilisé pour les connexions électriques. La formation de composés aux interfaces peut, en effet, être à l'origine de la dégradation des propriétés du matériau thermoélectrique. Ces contraintes conduisent à introduire des barrières de diffusion entre le matériau thermoélectrique et les connexions électriques. C'est dans ce contexte que ce situe la présente étude, l'objectif étant d'étudier la potentialité de matériaux à base de nitrure de tantale en tant que barrières de diffusion. Ainsi, des couches minces à base de nitrure de tantale ont été déposées, par le procédé de pulvérisation cathodique, sur les substrats de type skutterudite, CeFe4Sb12, les connexions électriques étant en cuivre. L'efficacité de barrières monocouches, TaN, et tri-couches, TaN/Ta/TaN, a été étudiée, ces couches présentant une épaisseur totale de 1 ou 1,5 µm. La première étape de ce travail a consisté en l'étude de la stabilité thermique du matériau skutterudite afin de déterminer le domaine d'utilisation en température de ce matériau. Dans une seconde étape, la potentialité de monocouches, TaN, et multicouches, TaN/Ta/TaN, en tant que barrières de diffusion a été déterminée à partir d'une étude microstructurale. Les assemblages CeFe4Sb12/barrière/Cu ont été préalablement soumis à des traitements thermiques sous vide à des températures variant de 400 à 600°C. Enfin dans une dernière étape, l'étude théorique des mécanismes de migration a été menée à partir des calculs d'énergies d'incorporation et de migration des atomes étrangers, tels que le cuivre et l'antimoine, dans le nitrure de tantale massif. / Due to the current energy context, thermoelectricity based on the direct conversion of thermal energy into electrical energy is of great interest. Direct conversion of thermal energy to electrical energy requires the use of thermoelectric devices made of n- and p-type semiconductor couples connected by electrical junctions. RM4X12 (R: rare earth, M: transition metal, X: pnictogen) skutterudite compounds have been reported to be promising for thermoelectric applications in the [400-600]°C intermediate temperature range. However the performance of thermoelectric devices is strongly dependent on the joining of thermoelectric couples with metal electrodes as the conversion efficiency is greatly influenced by the contact resistance. High electrical and thermal conductivities are required associated with a high interfacial mechanical strength. Moreover the joining material has to be selected to avoid any interfacial reaction occurring during the device fabrication and use. Diffusion barriers are also needed to limit these interfacial reactions which may be detrimental to the thermoelectric device performance. The aim of this work is to study the efficiency of tantalum nitride based materials as diffusion barriers. TaN single layer and TaN/Ta/TaN multilayers barriers were deposited by sputtering between the CeFe4Sb12 skutterudite substrate and the Cu electrical junction. The inter-diffusion of elements was studied through these mono- and multi-layers, of 1 μm or 1.5 μm in thickness. In a first step, the thermal stability of the skutterudite has been investigated to determine the use temperature range of this material. In a second step the efficiency of TaN and TaN/Ta/TaN layers as diffusion barriers has been determined from a microstructural study. CeFe4Sb12/barrier/Cu stackings were previously annealed under vacuum in the [400-600]°C temperature range. Finally a theoretical study of the migration mechanisms was carried out from the calculations of the incorporation and migration energies of species, more specifically Sb and Cu, in the bulk tantalum nitride.