Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux - UMR CNRS 5085




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Recrutement Thèse projet ECO-device THERMOELECtric

PhD - Academic Position, project ECO-device THERMOELECtric

Mots-Clefs : Énergie, Thermoélectricité, Nanocomposite, Frittage flash (SPS), Synthèse, Caractérisation

Sujet : Ce sujet de thèse fait partie d’une problématique environnementale et économique. L’utilisation d’énergies fossiles pour la production d’énergie posant un problème de développement durable, il est nécessaire de trouver de nouvelles voies pour la production et / ou la récupération d’énergie. Les matériaux thermoélectriques peuvent participer à cet effort, notamment dans les transports, en convertissant la chaleur perdue (circuit d’échappement par exemple) en électricité (effet Seebeck). Leur fiabilité a par ailleurs été démontré lors des différentes missions spatiales (ex : les sondes Voyager I et II fonctionnent toujours après plus de 30 ans d’activité). Cependant, les dispositifs principalement commercialisés aujourd’hui dans la gamme de température 500 - 900K sont constitués d’éléments toxiques, tels que le tellure, le plomb ou le sélénium, ce qui limite leur application à grande échelle. L’objectif de ce projet est d’élaborer des matériaux thermoélectriques à la fois performants et respectueux de l’environnement, en vue de leur commercialisation. Pour ce faire, nous avons sélectionné des siliciures mettant en œuvre des éléments abondants et ayant un faible impact sur l’environnement et dont le potentiel d’optimisation est élevé.
Un moyen d’augmenter le rendement de conversion thermoélectrique est d’améliorer les propriétés électroniques en diminuant la dimensionnalité du système considéré, en ajoutant des dopants ou en modifiant les interfaces. Une diminution de la dimensionnalité permet aussi d’augmenter la diffusion des phonons (aux interfaces), ce qui est favorable à une diminution de la conductivité thermique. L’ajout de nano-objets carbonés pourraient permettre de multiplier les interfaces et ainsi de limiter la conductivité thermique, tout en contribuant à la nanostructuration lors du frittage.
Dans ce contexte, les objectifs de la thèse proposée sont :
• de synthétiser des siliciures (massifs et nano-objets) ; différentes techniques de synthèse seront utilisées (croissance cristalline, four à arc, mécano-broyage/synthèse…).
• de préparer des nanocomposites par différentes méthodes de mélange.
• de consolider par frittage flash (Spark Plasma Sintering) les nanocomposites et de contrôler leur nanostructure.
• d’effectuer la caractérisation chimique, structurale (DRX), microstructurale (MEB, MET), de caractériser les propriétés électroniques (Hall, Van der Paw, coefficient Seebeck), thermiques (3 omega, Laser Flash, DSC) et de dynamique de réseau (Raman, IR, Neutron).
• de concevoir un prototype et de caractériser ses performances.

Profil du candidat /de la candidate : Le candidat ou la candidate devra présenter un parcours en science des matériaux, chimie, physique ou chimie du solide ainsi qu’une forte motivation pour l’expérience.
Localisation : Les travaux de recherche font partie d’une collaboration entre Montpellier et Toulouse et sont financés par l’Institut Carnot Chimie Balard Cirimat (ICCBC). Le candidat intégrera l’Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM) où se côtoient des chimistes, physiciens et métallurgistes et le Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) à Toulouse.
Contacts :
Dr. Mickael Beaudhuin : mickael.beaudhuin umontpellier.fr, +33 467 144 129
Dr. Emmanuel Flahaut : emmanuel.flahaut univ-tlse3.fr, +33 561 556 970
Pour candidater : Envoyer CV + Lettre de motivation + Lettre de recommandation (ou références) par courriel à mickael.beaudhuin umontpellier.fr avant le 30 Mai 2018
ECO-device THERMOELECtric
Keywords : Energy, Thermoelectricity, Nanocomposite, Spark Plasma Sintering (SPS), Synthesis, Characterization

Abstract : This PhD project is part of an environmental and economic concern. Fossil and fissile resources for energy production being not sustainable, it is necessary to find new ways of producing and / or recovering energy. Thermoelectric materials could participate to this effort, especially in transport, by converting lost heat to electricity (Seebeck effect). Thermoelectric modules were observed to show large durability (ex : Voyager I and II probes which are still working after more than 30 years). However, the main parameters that limit their large-scale application in the temperature range 500 -900 K are their low efficiency and the use of highly toxic elements such as tellurium, lead or selenium. The aim of this project is to develop thermoelectric materials that are both efficient and environmentally friendly in the perspective of a large-scale production. To succeed, we selected silicides using abundant elements with low environmental impact and high optimization potential. Thermoelectric silicides could overcome such limitations but further efforts are needed in order to improve the efficiency of the modules.
A way to increase the thermoelectric conversion efficiency is to improve the electronic properties by decreasing the dimensionality of the system, by adding dopants or by modifying the interfaces. A decrease of the dimensionality also makes it possible to increase the phonon scattering (at the interfaces), which is favorable to a decrease of the thermal conductivity. The addition of carbon-based nano-objects could make it possible to multiply the interfaces and thus to limit the thermal conductivity, while contributing to nanostructuration during sintering.
The objectives of this project follow these guidelines and will be :
• to synthesize transition metal silicides (bulk and nano-objects) ; conventional or original synthesis techniques will be used (crystal growth, mechanical milling/alloying…).
• to prepare nanocomposites with different mixing methods,
• to sinter the nanocomposites and to control the nanostructure (Spark Plasma Sintering),
• to characterize the alloys chemically, structurally (XRD), microstructurally (SEM, TEM…), to characterize their electronic properties (Hall, Van der Paw, Seebeck coefficient…), their thermal properties (3 omega, laser Flash, DSC) and their lattice dynamics (Raman, IR, Neutron…).
• to build a prototype and to characterize its performances.

Candidate profile : The candidate should have a background in materials science, chemistry, physics or solid-state chemistry and a strong motivation for experiments. French language is not required and will be improved in the laboratory. However, fluent English (spoken, read, written) is mandatory for foreign candidates.
Location : The work is part of a cooperation between Montpellier and Toulouse and is funded by the Institute Carnot Chimie Balard Cirimat. It will be held at the Institute Charles Gerhardt Montpellier (ICGM) with chemists, physicists and metallurgists and at the Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) in Toulouse.
Contacts :
Dr. Mickael Beaudhuin : mickael.beaudhuin umontpellier.fr, +33 467 144 129
Dr. Emmanuel Flahaut : emmanuel.flahaut univ-tlse3.fr, +33 561 556 970
To apply : Send your resume, cover and recommendation letter (or references) to mickael.beaudhuin umontpellier.fr before 2018, May 30th