Synthèse et caractérisation des matériaux composites par la technique ETEPC

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse de la phase MAX Ti2AlC par la technique explosion électrothermique sous pression avec confinement (electrothermal explosion under pressure with confinement: (ETEPC)). Les investigations entreprises se sont basées sur la combinaison des effets de l’activation mécanique des poudres initiales et les paramètres opérationnels de la technique ETEPC ainsi que sur le chemin réactionnel de la formation de cette phase pour l’obtention d’un produit pur. Trois types de poudres initiales ont été utilisées à savoir, mélangées (mode 1), broyées (mode 2) et broyées (mode 3). Les propriétés microstructurales des poudres ont d’abord été identifiées via le programme MAUD. Le traitement thermique (ADT) est également réalisé sur les poudres initiales pour suivre les changements induites par l’activation mécanique. Finalement, deux paramètres opérationnels de la technique ETEPC (i.e., l’intensité du courant et le temps de maintien) associés à plusieurs conditions de l’activation mécanique ont été mis à profit afin d’optimiser les conditions expérimentales aboutissant à un produit de haute pureté. Les poudres et les produits de la combustion ont été analysés par DRX, DRX(T), MEB, MET, ADT et nano-indentation

Etude de premier principe des propriétés structurales, électroniques, magnétiques et thermodynamiques des alliages ternaires Ni1-xTixO, Ni1- xFexO et Ni1-xNdxO par la méthode FP-LAPW.

Les propriétés structurales, électroniques et magnétiques des composés binaires (NiO, FeO,TiO et NdO) et des alliages ternaires Ni1-xTixO, Ni1-xFexO et Ni1-xNdxO (x= 0.25, 0.5 et 0.75) ont été étudiées en utilisant la méthode de premier principe dans le potentiel total des ondes planes augmentées linéairement (FP-LAPW) basée essentiellement sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Dans ce cadre, le terme d’échange et de corrélation a été identifié par l’approximation du gradient généralisé Perdew-Burke-Ernzerhof (GGA-PBEsol). Nous avons d’abord optimisé l’énergie totale en fonction du volume dans les deux configurations magnétiques (i.e., ferromagnétique et antiferromagnétiques) de nos matériaux à différentes concentrations par l’approximation du gradient généralisé (GGA-PBEsol). D’autre part, la déviation du paramètre du réseau et celle du module de compression de chaque alliage en fonction de la composition x par rapport à la loi de Vegard et la méthode LCD sont également présentées. De plus, les propriétés électroniques (i.e., la structure de bande, la densité d’état et la densité de charge) et magnétiques (i.e., moment magnétiques total et locale, les constantes d’échange et la polarisation de spin au niveau de Fermi) ont été tout aussi traitées dans le cadre des deux approximations GGA-PBEsol et mBJ-GGA pour les trois systèmes. Ces dernières approximations en l’occurrence GGA+U et mBJ+U ont été exploitées dans le cas de l’alliage Ni1-xNdxO pour bien tenir compte des électrons de l’état f de l’élément de terre rare. Aussi, les valeurs des bandes interdites des composés binaires calculées par GGA-mBJ concordent bien avec celles obtenues expérimentalement. Il s’avère toutefois, que cet accord est meilleur si l’approximation GGA-PBEsol est utilisée. Finalement, le modèle quasi-harmonique de Debye est mis à profit dans un souci d’analyser les propriétés thermiques en particulier la température de Debye, le coefficient de dilation thermique, la capacité thermique à volume constant et pression constante ainsi que le désordre dans les systèmes Ni1-xTixO, Ni1-xFexO et Ni1-xNdxO. La stabilité thermodynamique de ces alliages a été également étudiée via l’enthalpie de formation de nos matériaux ternaires et binaires pour chaque concentration x. Mot clés: FP-LAPW, DFT, Ni1-x(Ti, Fe, Nd)xO, propriétés électroniques et propriétés magnétiques.

Synthèse et caractérisation des matériaux du type (Sn)(Sb)(S,Se)

La poudre Sb2Se3 est obtenue par broyage mécanique des éléments Sb et Se. L'analyse de diffraction aux rayons X a indiqué la formation de Phase orthorhombique Sb2Se3. Cette dernière est confirmée par la caractérisation des rayons X et spectroscopie Raman et par spectroscopie photoélectronique . La mesure magnétique a révélé le caractère ferromagnétique de la poudre Sb2Se3. Les films minces étaient obtenus par dépôt thermique en utilisant de la poudre Sb2Se3 comme précurseur. Des mesures optiques effectuées sur des films minces ont montré un coefficient d'absorption élevé et une bande interdite directe de 1,61 eV. Le matériau a alors une application potentielle dans la conversion photovoltaïque. La dispersion de l'indice de réfraction du film (n) obéit à l'équation de dispersion de Cauchy. n fait l'objet d'une enquête et est jugé conforme avec le modèle de dispersion d'oscillateur unique de Wemple – DiDomenico. L'énergie E0 de l'oscillateur et l'énergie de dispersion Ed sont dérivé de l'enquête sur l'indice de réfraction. L'exploitation du modèle Spitzer-Fan a été autorisée à dériver la haute fréquence constante diélectrique ε∞ et le rapport de densité N / m *. De plus, la constante de Verdet V est déterminée sur la base de l'étude de dispersion de l'indice de réfraction. De plus, la susceptibilité non linéaire χ(3) ainsi que l'indice de réfraction non linéaire sont déterminés pour Sb2Se3 minces films. La nanostructure du matériau est probablement responsable non seulement des caractéristiques non linéaires élevées mais aussi pour le faible caractère magnétique de Sb2Se3.

Synthèse et caractérisation de matériaux à base de chalcogènes (Se,S) destinés à la conversion photovoltaïque

Le présent travail est basé sur la synthèse et la caractérisation des matériaux semiconducteurs à base des éléments chalcogénures (S,Se). Les composés que nous avons choisis sont : CuIn3Se5, SnSb2S4, dans le but de les utiliser comme des couches absorbantes dans les cellules solaires. Les poudres nanostructurées ont été préparées par mécanosynthèse dans un broyeur planétaire. Les poudres broyées sont considérées comme source afin d’obtenir des couches minces CuIn3Se5 et SnSb2S4 par évaporation thermique sous vide sur des substrats en verre non chauffés. Les matériaux investigués sont caractérisés selon leurs propriétés structurales et optiques en utilisant la diffraction des rayons- X (Les spectres de DRX ont été fîtes par le programme Maud, qui est basé sur la méthode de Rietveld combinée à l’analyse de Fourier), Spectroscopie Raman, la spectrométrie photoélectronique X (XPS), la microscopie à force atomique (AFM) et des mesures optiques. L’analyse des rayons X a révélée que la couche mince CuIn3Se5 déposée sur un substrat non chauffé possède une nature amorphe. Le processus de recuit est important pour améliorer la cristallinité des couches synthétisées. On a trouvé que les valeurs de la largueur de la bande interdite des couches élaborées CuIn3Se5 et SnSb2S4 sont voisines de la valeur optimal avec des coefficients d’absorption de valeur moyenne >104 cm-1 dans la limite du visible. D’autres paramètres optiques ont été estimés à savoir : le coefficient d’extinction (k), l’indice de réfraction (n), la conductivité optique (σ) et les parties réelles et imaginaires de la constante diélectrique. La dispersion de l’indice de réfraction est décrite par deux modèles : le modèle de Wemple-Didomenico et celui de Spitzer-Fan. Les paramètres optiques non linéaires des couches minces CuIn3Se5 ont été déterminés pour la première fois. Les mots clés : CuIn3Se5, SnSb2S4, couches minces, poudres broyées, mécanosynthèse, propriétés optiques

Etude des propriétés du matériau ternaire CuInSe2 à base de Cu de la famille des chalcopyrites Cu-III-VI2

Des échantillons du CuInSe2 ont été préparés par quatre méthodes différentes: sous forme de poudre préparée par la méthode mécano-synthèse utilisant deux temps différents (t= 15 et t= 30 min). La deuxième technique c’est la synthèse du lingot du CuInSe2 par la SHS (Self Propagating Hight Temperature Synthesis) ou auto-combustion par un passage d’un courant électrique utilisant une plaque de graphite. Des couches minces CuInSe2 ont été déposées par l’évaporation thermique à partir de ces dernières méthodes (mécano-synthèse et SHS) et par la Co-évaporation. L’étude structurale de tous les échantillons synthétisés par toutes les techniques a permis de mettre en évidence l’existence de la phase chalcopyrite. L’affinement par la méthode Rietveld utilisant le programme « Maud » confirme la phase chalcopyrite des couches minces. L’analyse par le MEB montre que ces couches minces ont une taille nanométrique. L’étude de l’absorption optique a confirmé que ces matériaux sont bien adaptés à la conversion photovoltaïque, et ont un gap d’énergie autour de 1.00 eV. Les analyses par spectrométrie de photoélectrons XPS des éléments Cu, In et Se, ont été effectuées en utilisant les niveaux Cu2p3/2, In3d5/2, et Se3d5/2 permet d’estimer la composition atomique des échantillons. L’étude des couches minces Co-évaporées, a montré le rôle important joué par les joints de grains dans le mécanisme de conduction des porteurs de charges. Ainsi, le modèle de Mott a été vérifié à basse température, contrairement à l’émission thermoïonique (Modèle de Séto) qui est prépondérante à haute température. Mots-clés: CuInSe2, chalcopyrite, mécano-synthèse, auto-combustion(SHS), couche mince, XPS, conduction électrique.

Etude du composé CuInS2 de la famille des chalcopyrites Cu-III-VI2 pour la conversion photovoltaïque

Le travail présenté consiste en l'élaboration du matériau de la famille chalcopyrite CuInS2, sous différentes formes, dans le but de l'utiliser comme couche absorbante dans le domaine de la fabrication des cellules solaires. On sait, maintenant, que le rendement d'une cellule photovoltaïque dépend du gap, du coefficient d'absorption, la structure, la composition chimique, le type de conduction et du mode de préparation de la couche absorbante. Cette thèse a pour objet d'utiliser la technique GLAD (Glancing Angle Deposition), qui nous a permis de regarder l'effet de deux facteurs importants lors de la croissance des couches minces, à savoir l'inclinaison et la rotation du substrat. Les caractérisations ont montré que les matériaux obtenus étaient viables pour la conversion photovoltaïque. D'autre part, nous avons discuté la variation de la mobilité des trous du CuInS2 en fonction de la température en prenant en considération différents mécanismes de diffusion des porteurs de charge qui dominent le transport dans le CuInS2 monocristallin. L'étude de la conductivité d'une couche mince CuInS2 obtenue par coévaporation a montré que la conduction est gouvernée par le processus de sauts à distance variable (VRH) à basse température (Modèle de Mott), alors qu'elle est dominée par l'émission thermoïonique des porteurs à haute température. Ainsi une étude du spectre de la photoluminescence, nous a permis l'identification des défauts impliqués dans le processus d'émission dans le ternaire CuInS2. Mots clés : CuInS2, Semi conducteur, Elaboration, Absorption, Conductivité, Mobilité de Hall, Photoluminescence.

Synthèse et Propriétés électriques et optiques des composés du type Cu(In,Ga)Se2

Ce travail consiste à élaborer et à étudier les propriétés structurales, électriques et optiques des composés Cu(In,Ga)Se2 (monocristaux, couches minces et poudre). En effet, les monocristaux CuGaSe2 étudiés ont été préparés par la méthode de transport en phase gazeuse. Nous avons discuté la variation de la mobilité des trous en fonction de la température en prenant en considération différents mécanismes de diffusion des porteurs de charge qui dominent le transport dans le CuGaSe2 monocristallin. D’autre part, nous avons estimé l’énergie d’activation du niveau accepteur, la masse effective des trous et les concentrations des accepteurs et des donneurs dans ce matériau en exploitant les mesures d’effet Hall. Les couches minces des matériaux CuInSe2 et CuGaSe2 ont été préparées par coévaporation. Ces échantillons sont de nature polycristalline avec une structure chalcopyrite monophasée. L’étude de la conductivité électrique a montré que la conduction est gouvernée par le processus de sauts à distance variable (VRH) aux basses températures (modèle de Mott), alors qu’elle est dominée par l’émission thermoïonique des porteurs au dessus des barrières de potentiel créées par les joints de grains aux hautes températures (modèle de Seto). Dans un échantillon de CuGaSe2, la conductivité ne suit pas une loi d’Arrhenius. Ce comportement est plutôt lié à l’inhomogénéité des joints de grains dans ce matériau. L’étude des propriétés optiques des couches minces de CuInSe2 et de CuGaSe2 confirme la possibilité d’utiliser ces composés comme couches absorbantes dans le domaine de la fabrication des cellules solaires. En effet, ces composés possèdent des bandes interdites directes de 1,07 et 1,64 eV respectivement et des coefficients d’absorption élevés (104-105 cm-1). Quant à l’étude sur la poudre CuInSe2 préparée par la méthode mécano-synthèse, l’analyse par diffraction des rayons X a bien montré la possibilité d’obtenir la phase CuInSe2. Mots-clés: Cu(In,Ga)Se2, Chalcopyrite, Conductivité, Joints de grains, Absorption

Synthèse et caractérisation de matériaux chalcopyrites par combution thermique entretenue

Des matériaux chalcopyrites à base de cuivre ont été réalisés par une méthode rapide de synthèse, notamment la combution thermique à haute température.

Elaboration et caractérisation des matériaux à base de Fer par explosion thermique

L'élaboration de matériaux magnétiques à base de fer ont été réalisés par explosion thermique. Différents échantillons obtenus dans différentes conditions ont été comparés.

Elaboration des matériaux cuprate PrBa₂Cu₃O₇− δ et YBa₂Cu₃O₇− δ par combution

La méthode de synthèse par combution s'est avéré très adaptée pour l'obtention de matériaux supraconducteurs à haute température critique. La visualisation par microscopie à balayage et la diffraction des rayons-X ont corroborés la qualités des produits.

Synthèse et caractérisation de matériaux magnétiques par combution thermique

Des matériaux magnétiques ont été élaborés par combution thermique auto-entretenue (shs) après optimisation des paramètres de l'expérience. La diffraction des rayons-X et la visualisation par microscopie à balayage ont bien confirmé la bonne qualité des échantillons