Etude de premier principe des propriétés électroniques et thermoélectriques des matériaux de type Skuttérudites

Abstract

En utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) combinée à la théorie de transport semi-classique de Boltzmann, les propriétés électroniques et thermoélectriques des matériaux skutterudites CoAs₃, IrP₃ et IrAs₃ sont étudiées sous diverses pressions hydrostatiques allant jusqu'à 30 GPa. Les calculs des propriétés élastiques confirment la stabilité mécanique de ces matériaux à 0 GPa et sous pressions croissantes, la pression influençant leur ductilité. Les fréquences de dispersion des phonons sont calculées à 0 et 30 GPa afin de garantir leur stabilité dynamique. Pour le matériau CoAs₃, les calculs de la structure de bande électronique utilisant l'approximation GGA+TB-mBJ montrent une transition d'un gap direct à un gap indirect avec l'augmentation de la pression. De même, IrAs₃ présente une transition d'un gap direct à un gap indirect à des pressions supérieures à 10 GPa, tandis que IrP₃ conserve un gap indirect sur toute la plage de pressions. Les propriétés thermoélectriques, y compris le coefficient Seebeck, les conductivités électriques et thermiques, ainsi que le facteur de mérite (ZT), sont calculées pour les trois matériaux à différentes pressions et températures (de 300 à 1200 K). Pour CoAs₃, des performances thermoélectriques optimales sont observées à 5 GPa et 1200 K pour un dopage de type n (ZT=0.53) et à 30 GPa et 600 K pour un dopage de type p (ZT=0.53), avec des concentrations de dopage idéales de 1.5×10²¹ cm⁻³ et 5.4×10¹⁸ cm⁻³, respectivement. Pour IrAs₃, les meilleures performances thermoélectriques sont atteintes à 30 GPa et 1200 K pour un dopage de type n (ZT=0.68), et pour IrP₃, un ZT de 0.46 est obtenu à 600 K et 5 GPa pour un dopage de type p. Ces résultats mettent en lumière le potentiel thermoélectrique prometteur de CoAs₃, IrP₃ et IrAs₃ sous des conditions spécifiques de pression et de température.