Effect of ultra-short laser nanostructuring of material surfaces on the evolution of their thermoelectric properties
Effet de la nanostructuration par faisceaux laser ultra-courts sur l’évolution des propriétés thermoélectriques des matériaux
Résumé
Today, renewable energies such as wind, solar, hydropower and thermoelectricity play an essential role to cover our energy needs. Among these different sources of energy, thermoelectricity, which offers the ability to convert a heat into electricity or vice versa, has attracted a great attention due to its wide field of potential applications. The current advances in thermoelectric research are focusing on the improvement of the conversion efficiency of thermoelectric devices through optimizing and improving the thermoelectric properties of the thermoelectric materials (Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity). For this, different approaches (doping, new materials, nanostucturing...) have been investigated in the literature. Among these approaches, nanostructuring of materials is the most studied in the literature in order to improve the thermoelectric properties of materials. In this thesis work, we aimed to study the effect of surface nanostructuring of materials (mesoporous silicon and titanium oxide deposited in thin film) by ultra-short laser beams (picosecond and femtosecond) on the evolution of their thermoelectric properties. First, we focused on the study of various physical phenomena involved during the laser-matter interaction that yield to the formation of very different nanostructures in form of ripples, spikes, dots and others as function of the applied laser dose (fluence and number of pulses). The formation of these nanostructures has been studied in two regimes (stationary and dynamic). After optimizing the laser parameters leading to the formation of such nanostructures, a characterization of Seebeck coefficient and the electrical conductivity before and after the nanostructuring of these materials was carried out by using a new experimental setup (ZT-meter) designed and validated in GREMI laboratory. The results of measurements showed an important improvement of Seebeck coefficient and electrical conductivity after nanostructuring. This important improvement observed with the both materials leaded to a strong increase in the thermoelectric power factor (reaching roughly 50000%).
Aujourd’hui, les énergies renouvelables comme l’énergie éolienne, l’énergie solaire, l’énergie hydroélectrique et la thermoélectricité jouent un rôle essentiel dans la couverture de nos besoins en énergie. Parmi ces différentes sources d’énergie, la thermoélectricité, qui permet de convertir la chaleur en électricité ou inversement, attire une grande attention grâce à son large champ d’application. Les actuelles avancées dans la recherche thermoélectrique visent l’amélioration du rendement de conversion des modules thermoélectriques, à travers l’optimisation des propriétés thermoélectriques intrinsèques des matériaux utilisés (coefficient de Seebeck, conductivité électrique et conductivité thermique). Pour cela, différentes approches ont été étudiées (dopage, nouveau alliages, nanostucturation …). Parmi ces approches, la nanostructration des matériaux a été largement étudiée pour mener à bien cet objectif. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à étudier l’effet de la nanostructuration de surface des matériaux (silicium mesoporeux et oxyde de titane déposé en couches minces) par faisceaux laser ultra-court (picoseconde et femtoseconde) sur l’évolution de leurs propriétés thermoélectriques. Dans un premier temps, nous nous sommes focalisés sur l’étude des différents phénomènes physiques impliqués durant l’interaction laser-matière ainsi que sur la formation des différentes nanostructures résultantes (en forme de ripples, spikes, dots et autres) en fonction de la dose laser appliquée (la fluence et le nombre de pulses). La formation de ces nanostructures a été étudiée suivant deux régimes (stationnaire et dynamique). Après l’optimisation des paramètres conduisant à la formation de ces nanostructures, la caractérisation du coefficient de Seebeck et la conductivité électrique avant et après la nanostructuration de ces matériaux a été réalisée grâce à un nouveau dispositif de mesure (ZT-meter) développé au laboratoire GREMI. Les résultats de mesures montrent une importante amélioration du coefficient de Seebeck et la conductivité électrique après la nanostrucutration. Un facteur d’augmentation de la puissance thermoélectrique a été observé pour les deux matériaux étudiés ; notamment dans le cas de couches minces d’oxyde de titane (jusqu’à 500 fois).
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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