Theoretical Studies of Thermoelectric Materials
Institution:
Rennes, Ecole nationale supérieure de chimieDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In the context of worldwide energetic transition, thermoelectricitycan significantly play a part among the new sources of renewableenergy that can be used at different scales and applied to severaldomains, from houses to cars, from air-conditioning to electricityproduction. In order to develop the use of thermoelectricity, thereis a need to better understand the chemical interactions thatgovern these materials and identify new thermoelectric materials. Hence, atomic modeling can help in understanding the structuraland physical properties of these materials as well as theirtransport properties, and suggest new candidates with interestingproperties. With this aim, this thesis work is based on the use ofquantum chemical tools. The first chapter of this manuscript deals with the quantumchemistry methods used. The second chapter reminds somebasics of thermoelectricity and the main class of thermoelectricmaterials. The third chapter focuses on the topological analysis ofthe electronic density of compounds with general formula TM3with T = transition metal of Group-7 to 9 and M = Ga, In, in orderto better understand on one hand the chemical bonding in thethese materials, and on the other hand the semi-conductingproperties of some of them that exhibit thermoelectric properties. The next chapter deals with the structural and transportproperties of some hypothetical materials of general formula TM3,(T = group-6 transition metal, M = Ga, In). Our calculationssuggest an exceptional thermoelectric potential for WGa3. The last two chapters are devoted to molybdenum cluster-basedcompounds. The penultimate part tackles the modeling of thetransport properties of AgxMo9Se11 (3. 4 ≤ x ≤ 3. 9), Ag2Tl2Mo9Se11and Ag3In2Mo9Se11 that contain bi-octahedral Mo9 clusters. Aspecial attention has been paid to the influence of the structuraland computational details. In the last part, we used the resultsobtained for Mo9-based selenides to predict the transportproperties of few molybdenum cluster compounds.
Abstract FR:
Dans le contexte de transition énergétique mondial actuel, lathermoélectricité peut prendre une part importante parmi lesnouvelles sources d’énergie en tant que technologie applicable àde multiples échelles et à de nombreux domaines, de l’habitat àl’automobile, de la climatisation à la production d’électricité. Afinde développer l’utilisation de la thermoélectricité, il est nécessairede mieux comprendre les interactions chimiques qui régissentces matériaux et d’identifier de nouveaux matériaux à fortspotentiels applicatifs. Ainsi, la modélisation atomique peut aider àcomprendre les propriétés structurales, physico-chimiques et detransport de ces matériaux et suggérer de nouvelles pistes demodifications ou de nouvelles synthèses pour identifier lesmatériaux de demain. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre. Le premier chapitre de ce manuscrit porte sur la description desméthodes de chimie quantique utilisées dans cette étude. Lesecond chapitre rappelle les fondements de thermoélectricitéainsi que les principales familles de matériaux étudiées. Letroisième chapitre est dédié à l’analyse topologique de la densitéélectronique des composés de formule TM3 avec T = métal detransition des groupes 7 à 9 et M = Ga, In, afin de mieuxcomprendre d’une part, la liaison chimique dans ces matériaux,et d’autre part, les propriétés semi-conductrices de certainsd’entre eux, présentant des propriétés thermoélectriques. Lechapitre suivant est dédié à l’étude des propriétés structurales etde transport de composés hypothétiques de formule TM3 où Test un métal de transition du groupe 6. Nos calculs suggèrent unpotentiel thermoélectrique exceptionnel pour le composé WGa3en particulier. Les deux derniers chapitres sont dédiés à l’étude de composésclusters de molybdène. Dans un premier temps, les propriétés detransport des composés AgxMo9Se11 (3,4 ≤ x ≤ 3,9),Ag2Tl2Mo9Se11, et Ag3In2Mo9Se11, dont la structurecristallographique est basée sur le cluster bioctaédrique Mo9,sont étudiées dans le cadre d’une approche semi-classique. L’accent est porté sur l’étude de l’influence de la structure et desparamètres de calcul. Dans la dernière partie, nous mettons àprofit les résultats obtenus dans la partie précédente pour prédireles propriétés de transport de composés à clusters demolybdène.