THESE DE DOCTORAT Mlle MEZIANE Souheyr Etude ab-initio des chalcogénures de métaux de ...

201 Pages·2014·6.73 MB·French

REPUBLIQUEALGERIENNEDEMOCRATIQUEETPOPULAIRE
MINISTEREDEL’ENSEIGNEMENTSUPERIEUR
ETDELARECHERCHESCIENTIFIQUE
UNIVERSITEABOUBEKRBELKAID-TLEMCEN
FACULTEDESSCIENCES
DEPARTEMENTDEPHYSIQUE
LABORATOIRED’ETUDEETPREDICTIONDESMATERIAUX
UNITEDERECHERCHEMATERIAUXETENERGIESRENOUVELABLES
UNITEDERECHERCHEMATERIAUXETENERGIESRENOUVELABLES
THESE DE DOCTORAT
EN
PHYSIQUEDELAMATIERECONDENSEEETDESSEMI-CONDUCTEURS
Présentéepar:
Mlle MEZIANE Souheyr
Thème
Etude ab-initio des chalcogénures de métaux de transition IVBX ou VBX
2 2
(X = S, Se ou Te)
Soutenuele:26/06/2014devantlacommissiond’examen:
Nometprénom Grade Etablissementd’appartenance
PrésidentdujuryMERADGhouti Professeur UniversitédeTlemcen
DirectricedethèseFARAOUNHouda-Imane Professeur UniversitédeTlemcen
ExaminateursAOURAGHafid Professeur UniversitédeTlemcen
ESLINGClaude Professeur UniversitédeMetz-France
BENZAIRAbdenour Professeur UniversitédeSidibelAbbes
LASRIBoumediène Professeur UniversitédeSaida
Annéeuniversitaire2013/2014
Remerciements
Cette thèse est l’aboutissement de quatre années de travail à la division d’Etude et
Prédiction des Matériaux (DEPM) au sein de l’Unité de Recherche Matériaux et Energies
Renouvelables (URMER) à l’université de Tlemcen, mais je n’aurais jamais pu arriver à ce
résultat sans la collaboration des jeunes chercheurs, techniciens et personnels administratif. Je
les enremercie chaleureusement.
Je remercie aussi très chaleureusement, le professeur Houda Imane Faraoun, ma
directrice de thèse, pour m’avoir proposée une telle thématique d’étude fructueuse et
enrichissante, pournos nombreuses discussions scientifiques, ounon, pour m’avoirinitiée àla
vie de chercheuse et enfin pour son soutien en toutes circonstances au cours de ces quatre
années depréparationde thèseet durant tout mon cursus depost-graduation.
Je remercie infiniment le professeur Claude Esling, d’avoir accepté d’examiner
ma thèse, pour nos discussions scientifiques, pour ces encouragements, de m’avoir reçu au
laboratoire LEM3 à l’université de Metz pour effectuer mon stage, et aussi pour ces conseils
avisés qui m’ont fait gagneruntemps précieux.
Jetiens àremercierchaleureusement leprofesseur MeradGhouti pourm’avoirfait
l’honneurdeprésiderlejury,d’avoiracceptédelireet critiquermathèse.
Je tiens à remercier tout aussi chaleureusement le professeur Hafid Aourag pour
m’avoir fait l’honneur d’être parmi les membres de jury, pour m’avoir initiée au domaine de
la science des matériaux et pour m’avoir donnée cet engouement pour la recherche dans cette
spécialité.
Jeremercie vivement le docteur Lasri Boumedièned’avoiracceptéd’examinerma
thèse,pournos discussions scientifiques et ses conseils judicieux.
J’adresse également mes remerciements au professeur Abdnour Benzair d’avoir
tout aussi accepter delireet critiquermathèse.
Enfin, mes plus chers remerciements sont dédiés à mes parents pour leurs
encouragements, leur soutiens, leurs conseils et surtout de m’avoir épaulée durant toutes ces
longues années d’études.
Ames parents
Ames deuxsœurs et mon frère
Atous ceuxqui mesont chers
«Dans lanature,tout atoujours uneraison. Si tucomprends cetteraison, tun’as plus besoin
del’expérience»
Léonard DeVinci
«Onselassedetout excepter d’apprendre »
Virgile
Table des matières
Introductiongénérale…………………………………………………………………………... 1
ChapitreI:Lesbatteriesaulithium………………………………………………………….. 6
Del’utilisationàlacompréhensiondesphénomènesmisenjeu
I.1.Principedefonctionnement………………………………………………………………….. 6
I.2.Lestechnologiessuccessivesdesbatteriesaulithium………………………………………. 7
I.2.1.Lesbatterieslithium–métal…………………………………………………………. 8
I.2.2.Lesbatterieslithium–ion……………………………………………………………. 10
I.2.3.Lesbatterieslithium–ionpolymère…………………………………………………. 11
I.2.4.Lesmicrobatteriesaulithium………………………………………………………… 12
I.3.Grandeurscaractéristiquesd’unebatterie…………………………………………………… 12
I.4.LedisulfuredetantaleTaS etlediséléniuredetantaleTaSe commematériaux 14
2 2
d’électrodesnégatives…………………………………………………………………………….
I.5.Domainesd’applicationsdesbatteries………………………………………………………. 15
I.5.1.Electronique………………………………………………………………………….. 15
I.5.2.Véhiculespropres…………………………………………………………………….. 15
I.5.3.Unealternativeaulithium–ion:lapileàcombustible……………………………… 16
I.6.Leseffetsthermoélectriques…………………………………………………………………. 17
I.6.1.L’effetSeebeck………………………………………………………………………. 18
I.6.2.L’effetPeltier………………………………………………………………………… 18
I.7.Figuredemérite……………………………………………………………………………... 19
I.8.Applicationdelathermoélectricité………………………………………………………….. 22
I.9.Conclusion…………………………………………………………………………………… 23
I.10.Références………………………………………………………………………………….. 24
ChapitreII:Lesdichalcogénuresdemétauxdetransition………………………………….. 25
II.1.Présentationdesdichalcogénuresdemétauxdetransition…………………………………. 26
II.1.1.DescriptionstructuraledesdisulfuresMS etdesdiséléniuresMSe demétauxde 26
2 2
transition………………………………………………………………………………………….
II.1.2.PrincipauxtypesstructurauxdesMX purs………………………………………….. 27
2
II.1.3.SynthèsedesMX purs……………………………………………………………… 28
2
II.1.4.ParamètresstructurauxdesMX purs……………………………………………….. 30
2
II.2.2.Lescomposésd’intercalation(oud’insertion)…………………………………………… 30
II.2.1.Etatdel’artetsynthèsedesA MX …………………………………………………. 30
x 2
II.2.2.PrincipauxtypesstructurauxdesA MX ……………………………………………. 32
x 2
II.2.3.PropriétésélectroniquesdesA MX ………………………………………………… 34
x 2
II.2.4.Domainesd’applicationdesA MX ………………………………………………… 34
x 2
II.3.PropriétésdetransportélectroniquedanslesA MX ………………………………………. 35
x 2
II.3.1.Notionsfondamentales………………………………………………………………. 35
II.3.2.Dopage………………………………………………………………………………. 35
II.3.3.Lesporteursdecharges……………………………………………………………… 36
II.3.4.Leseffetsdedéfautssurlespropriétésphysiques…………………………………... 36
II.3.5.PropriétésdetransportdesA TiX etA TaS ………………………………………. 37
x 2 x 2
II.3.5.1.Propriétésdetransportdanslescomposésd’intercalationaulithiumLi TiS 37
x 2
etLi TaS …………………………………………………………………………………………
x 2
II.3.5.2.Propriétésdetransportdanslescomposésd’intercalationausodiumNa TiS 38
x 2
etNa TaS ………………………………………………………………………………………...
x 2
II.4.Propriétésélectroniquesdesdichalcogénuresàbassetempérature:CDWet 38
supraconductivité…………………………………………………………………………………
II.4.1.Introduction………………………………………………………………………….. 38
II.4.2.LesondesdedensitédechargeCDW……………………………………………….. 39
II.4.3.Lestransitionsdephasesàbassetempérature………………………………………. 41
II.4.3.1.Interactionélectron–phonon………………………………………………... 41
II.4.3.1.1.InstabilitésdePeierlsetCDW………………………………………... 41
II.4.3.1.2.MécanismedePeierls–Fröhlich……………………………………... 41
II.4.3.1.3.DistorsiondeJahn–Teller…………………………………………… 43
II.4.3.2.Corrélationsélectron–électron……………………………………………… 45
II.4.3.2.1.LatransitiondeMott-Hubbard………………………………………. 45
II.4.3.2.2.Lemodèled’Hubbard………………………………………………… 46
II.4.4.Supraconductivité…………………………………………………………………… 48
II.5.Conclusion………………………………………………………………………………….. 51
II.6.Références…………………………………………………………………………………... 52
ChapitreIII:Méthodesdecalculsab–initio………………………………………………… 56
III.1.EquationdeSchrödingerdesétatsstationnaires…………………………………………… 57
III.2.ApproximationdeBorn–Oppenheimer…………………………………………………... 58
III.3.Théoriedelafonctionnelledeladensité…………………………………………………... 59
III.3.1.ThéorèmedeHohenbergetKohn…………………………………………………... 59
III.3.2.MéthodedeKohnetSham…………………………………………………………. 60
III.3.3.Fonctionnelled’échange–corrélationV (r)……………………………………… 61
XC
III.3.4.ApproximationdeladensitélocaleLDA…………………………………………... 62
III.3.5.ApproximationdugradientgénéraliséGGA……………………………………….. 64
III.3.6.Approximationsdeladensitélocale(LSDA)etdugradientgénéralisé(GGA)avec 64
polarisationdespin……………………………………………………………………………….
III.3.7.Approximationsdeladensitélocaleetdugradientgénéraliséaveccorrection 65
d’Hubbard(LDA+UetGGA+U)………………………………………………………………...
III.3.8.ApplicationdelaDFTaucasdessolidescristallins(Résolutiondeséquationsde 66
KohnetSham)……………………………………………………………………………………
III.4.Choixdelaméthode,delabasedesfonctionsd’ondesetdelaformedupotentiel………. 69
III.4.1.CaractéristiquesgénéralesdelaméthodeFP-LAPW………………………………. 70
III.4.2.Caractéristiquesdepseudo-potentiels……………………………………………… 72
III.4.2.1.LesPseudo-PotentielsUltra-Soft/Ultradoux(US-PP)……………………... 72
III.5.Modélisationdesmatériauxthermoélectriques……………………………………………. 74
III.5.1.Fondementdelathéoriesemi-classiquedetransport………………………………. 74
III.5.2.Lescoefficientsdetransport………………………………………………………... 76
III.6.Conclusion…………………………………………………………………………………. 78
III.7.Références…………………………………………………………………………………. 79
ChapitreIV:Etudeab–initiodespropriétésstructuralesetélectroniquesdes 81
dichalcogénuresdemétauxdetransitionMX destructureCdI ………………....................
2 2
IV.1.Propriétésstructuralesdesdichalcogénuresdetype1T-(CdI )……………………………. 81
2
IV.2.Détailsdecalcul…………………………………………………………………………… 83
IV.3.Optimisationdespropriétésstructuralesdes1T-MX …………………………………….. 83
2
IV.3.1.PropriétésstructuralesetélectroniquesdesTiX …………………………………... 84
2
IV.3.1.1.SynthèseduTiS massif…………………………………………………….. 84
2
IV.3.1.2.StructurecristallographiquedesTiX ………………………………………. 85
2
IV.3.1.3.StructuresélectroniquesdesTiX …………………………………………... 87
2
IV.3.2.PropriétésstructuralesetélectroniquesdesZrX …………………………………... 90
2
IV.3.3.PropriétésstructuralesetélectroniquesdesVX …………………………………… 95
2
IV.3.4.Propriétésstructuralesetélectroniquesdes1T-TaX ……………………………….. 97
2
IV.4.Conclusion…………………………………………………………………………………. 101
IV.5.Références…………………………………………………………………………………. 102
ChapitreV:Effetsdulithiumetsodiumsurlespropriétésstructurales,électroniques, 105
topologiquesetthermoélectriquesdesdichalcogénuresdemétauxdetransitionMX (X
2
=S,Se)parcalculsab–initio…………………………………………………………………...
V.1.Détailsdecalcul…………………………………………………………………………….. 106
V.2.ParamètresstructurauxetpropriétésélectroniquesdesTaX purs…………………………. 107
2
V.2.2.InstabilitéstructuraledesTaX ……………………………………………………… 110
2
V.2.3.Propriétésélectroniques……………………………………………………………... 110
V.3.Propriétésstructuralesetélectroniquesdescomposésd’intercalationLiTaX …………….. 113
2
V.3.1.Propriétésstructurales……………………………………………………………….. 113
V.3.2.Propriétésélectroniques……………………………………………………………... 114
V.4.Propriétésstructuralesetélectroniquesdescomposésd’intercalationNaTaX …………… 116
2
V.4.1.Propriétésstructurales……………………………………………………………….. 116
V.4.2.Propriétéélectroniques……………………………………………………………… 118
V.5.Analysetopologiquedespropriétésdeliaisons…………………………………………….. 120
V.6.Propriétésdetransportthermoélectrique…………………………………………………… 122
V.6.1.CoefficientdeSeebeck……………………………………………………………… 122
V.6.2.Résistivité…………………………………………………………………………… 124
V.6.3.Conductivitéélectrique……………………………………………………………… 125
V.6.4.Conductivitéthermique……………………………………………………………... 126
V.6.5.Figuredemérite……………………………………………………………………... 127
V.7.Conclusion…………………………………………………………………………………. 129
V.8.Références…………………………………………………………………………………... 131
ChapitreVI:PropriétésthermoélectriquesdesTaX (X=S,Se)pursàbassetempérature 135
2
VI.1.Détailsdecalcul…………………………………………………………………………… 136
VI.2.Résultatsetinterprétation………………………………………………………………….. 137
VI.2.1. Chaleurspécifique…………………………………………………………………. 137
VI.2.2.CoefficientdeHall…………………………………………………………………. 139
VI.2.3.SusceptibilitémagnétiquedePaulietsupraconductivité…………………………... 140
VI.2.4.MobilitédeHall…………………………………………………………………….. 141
VI.2.5.Concentrationdesporteursdecharges……………………………………………... 142
VI.2.6.CoefficientdeSeebeck……………………………………………………………... 143
VI.2.7.Résistivitéélectrique……………………………………………………………….. 145
VI.2.7.1.Unetransitionondededensitédechargedupremierordre………………… 146
VI.2.7.2.CDWetrésistivitéàhautetempérature……………………………………... 146
VI.2.8.Conductivitéélectrique……………………………………………………………... 147
VI.2.9.Conductivitéthermique…………………………………………………………….. 148
VI.2.10.Figuredemérite…………………………………………………………………… 149
VI.3.Conclusion…………………………………………………………………………………. 150
VI.4.Références…………………………………………………………………………………. 152
Conclusiongénéraleetperspectives………………………………………………………….... 155
Annexe1:Lesconceptsd’analysetopologique………………………………………………… 159
Annexe2:Guided’utilisationdulogicielBoltzTrap…………………………………………… 166
Introduction générale
Introduction générale
.
A l’heure actuelle, les préoccupations environnementales ont pris une place
prépondérante dans les débats politiques nationaux et internationaux. Les problèmes
environnementaux provoquent, ainsi, l’inquiétude de l’opinion publique. Ils s’inscrivent
désormais dans les choix politiques et économiques. Autant conscients de leur responsabilité
dans les problèmes de pollution, les différents acteurs industriels et politiques tentent depuis
des années de concilier production de masse et écologie. Cela dit, la prise en compte de
l’environnement relève plus d’une nécessité qu’un devoir moral, car la survie de l’homme en
dépend. Cette prise en compte doit s’inscrire, cependant, dans un cadre de développement
durable qui satisfait des besoins présents sans craindre les générations du futur à satisfaire les
leurs.
La lutte contre le changement climatique est placée au premier rang des priorités.
Dans cette perspective, est confirmé l’engagement pris par plusieurs pays de limiter les
émissions de gaz à effet de serre. Les mesures mondiales portent en premier lieu sur la baisse
de la consommation d’énergie des bâtiments et la réduction de l’émission du CO dans le
2
secteur des transports. Ces mesures sont conçues selon une approche conjointe de protection
de la qualité de l’air et d’atténuation du changement climatique. La maîtrise de la demande
d’énergie constitue la solution durable au problème des coûts croissants des énergies,
particulièrement les énergies fossiles.
En effet, l’émission de polluants résulte d’une multitude d’activités (industrie,
transports, …) qui modifient la composition de l’atmosphère et dégradent la qualité de l’air.
Le contrôle des émissions de polluants gazeux dans l’atmosphère est devenu un enjeu majeur
pour la protection de la santé des personnes et de l’environnement. Pour prévenir ces risques,
les règlementations ont défini des seuils limites de rejets pour certaines substances polluantes
et imposedes contrôles périodiques dont les fréquences dépendent dutype d’activité.
Dans le domaine des transports, l’hybridation des motorisations thermiques des
véhicules offrent une solution provisoire avant l’évènement des motorisations tous
électriques. L’électrification des organes de sécurité et de confort contribuent également à la
réductiondela consommationdecarburant et doncl’émissiondeCO .
2
Dans toutes ces configurations, le bon fonctionnement des systèmes est lié à la
disponibilité du réseau de bord et par conséquent de la batterie. Le pack batterie des véhicules
hybrides représente l’un des principaux surcoûts de leurs motorisations. Ni le constructeur, ni
le consommateur, ne désirent assumer le coût financier de remplacement de ces batteries au
1
Introduction générale
.
cours de la vie du véhicule. La batterie est donc le facteur limitant le développement de ce
genredevéhicule.
Le défi à relever pour tout constructeur automobile qui désire un véhicule propre,
repose donc non seulement sur une optimisation de sa chaîne de motorisation, tant du point de
vue du coût et de l’autonomie, mais également sur une mise en adéquation de l’accumulateur
avec la durée de vie du véhicule. Par conséquent, tout changement dans ce domaine ne peut
être motivé que par des gains notables de productivité ou par une nécessité de rupture
technologiquevisant àse passerdes hydrocarbures àlongterme.
Plusieurs générations d’accumulateurs ont vu leur apparition depuis de
nombreuses années, nous citons par exemple: les batteries acide –plomb, nickel cadmium (Ni
–Cd), sulfure de sodium (NaS) et lithium –ion (Li –ion). C’est cette dernière batterie au
lithium qui fait l’objet de notre étude. Nous essayerons d’optimiser ses propriétés
thermoélectriques enchoisissant unmatériaurépondant aux intérêts technologiques souhaités.
Utilisée essentiellement dans l’électronique grand public, la résolution de certains
problèmes techniques de la batterie au lithium pourrait lui permettre de se généraliser non
seulement dans les transports mais aussi dans différents marchés de niche: satellites,
applications militaires, médecine,nanotechnologie…etc.
Objectif etorientation del’étude:
La durée de vie des batteries est un élément essentiel pour la diffusion de
composants électroniques miniaturisés et de véhicules propres avec des conditions de
puissance, sécurité et coûts acceptables. Le choix de nouveaux matériaux appropriés pour la
conceptionde ces batteries s’avèreêtrelacléprincipalepoursatisfaireces technologies.
Trois principales générations d’accumulateurs separtagent actuellement le marché
des batteries rechargeables. Il s’agit des technologies nickel-cadmium (NiCd), nickel-hydrure
métallique (NiM-H) et lithium-ion (Li-ion). Les batteries acide/plomb, plus anciennes, font
désormais figure de marché de niche pour l’automobile mais représentent moins de 2% de
ventes totales enquantité.
Si les recherches engagées ces dix dernières années tendent à désigner les oxydes
de métaux de transition comme les meilleurs candidats pour la conception d’électrodes
positives, beaucoup d’interrogations subsistent concernant les matériaux d’électrodes
2