Etude des propriétés physiques des matériaux thermoélectriques : calculs ab-initio

NASRALLAH , Hadjer; GUECHI , Nacir Encadrant

Etude des propriétés physiques des matériaux thermoélectriques : calculs ab-initio

dc.contributor.author	NASRALLAH , Hadjer
dc.contributor.author	GUECHI , Nacir Encadrant
dc.date.accessioned	2026-06-17T13:34:57Z
dc.date.issued	2026
dc.description	Dans cette recherche nous avons étudié les caractéristiques structurales, élastiques, thermodynamiques, électroniques et thermoélectriques du composé de type Zintl K2BaCdSb2 en utilisant des méthodes ab initio. Les propriétés structurales, élastiques et thermodynamiques ont été calculées en utilisant l'approche des ondes planes pseudo-potentielles avec la fonctionnelle d'échange-corrélation GGA-PBEsol. Les paramètres structuraux d'équilibre calculés correspondent étroitement aux données disponibles. Les modules élastiques mono- et polycristallins du composé étudié ont été déterminés par la méthode contrainte-déformation. L'analyse de ces propriétés révèle que le matériau K2BaCdSb2 est mécaniquement stable, fragile et présente une anisotropie élastique prononcée. Le modèle quasi-harmonique de Debye a été utilisé pour étudier les caractéristiques thermodynamiques, notamment la température de Debye, le coefficient de dilatation thermique et la capacité thermique à volume constant, sur la plage de températures de 0 à 500 K. La conductivité thermique du réseau (κlat) de K2BaCdSb2 diminue sous l'effet de la température (T). Elle est égale à 0.58 Wm−1K−1 à une température intermédiaire de 500 K. La structure électronique de K2BaCdSb2 a été déterminée en utilisant la méthode des ondes planes augmentées linéarisées à plein potentiel) FP-L/APW+lo) avec le potentiel de Becke-Johnson modifié par Tran-Blaha. Les calculs de structure de bande TB-mBJ, y compris le couplage spin-orbite (SOC), révèlent que K2BaCdSb2 est un semi-conducteur avec une bande interdite directe (Γ-Γ) de 0.85 eV. L'analyse de liaison montre que la liaison entre les atomes de Cd et de Sb au sein du[CdSb_2 ]^(4-)polyanion est de nature covalente et celle entre l'atome K/Ba et le [CdSb_2 ]^(4-)polyanion est de caractère ionique. Enfin, les caractéristiques thermoélectriques du matériau K2BaCdSb2 Zintl ont été analysées en utilisant la théorie du transport semi-classique de Boltzmann incorporée dans BoltzTrap2 à une température de 500K pour des concentrations de porteurs de charge de 1.0 × 1018 à 3.0 × 1020 cm-3. Lorsque la concentration en trous est de 1.0 × 1020 cm-3, le facteur de puissance atteint une valeur de 17 × 1010 W .m-1. K-2. s-1. Pour le K2BaCdSb2 dopé p avec une concentration de 1.0 × 1018 cm-3, le facteur de mérite électronique (ZTel) est de 0.95. Ces résultats suggèrent que le matériau Zintl K2BaCdSb2 pourrait jouer un rôle important dans les applications thermoélectriques
dc.description.abstract	In this research, we investigated the structural, elastic, thermodynamic, electronic, and thermoelectric properties of the Zintl-type compound K2BaCdSb2 via ab initio methods. The structural, elastic and thermodynamic properties were calculated using the pseudopotential plane wave approach with the GGA-PBEsol exchange-correlation functional. The computed equilibrium structural characteristics closely match the available data. The monocrystalline and polycrystalline elastic moduli of the studied compound were determined by the stress-strain method. The analysis of these properties reveals that the K₂BaCdSb₂ material is mechanically stable, brittle and exhibits a pronounced elastic anisotropy. The quasi-harmonic Debye model was employed to study the thermodynamic properties, including Debye temperature, thermal expansion coefficient, and heat capacity at constant volume, over the temperature range 0-500 K. The lattice thermal conductivity (klat) of K2BaCdSb2 decreases under the effect of the temperature (T). It is equal to 0.58 Wm−1K−1 at an intermediate temperature of 500K. The electronic structure of K2BaCdSb2 was determined using the full-potential linearized augmented plane wave method ) FP-L/APW+lo) with the Tran-Blaha modified Becke-Johnson potential. The TB-mBJ band structure calculations, including spin-orbit coupling (SOC), reveal that K2BaCdSb2 is a semiconductor with a direct band gap (Γ-Γ) of 0.85 eV. Bonding analysis shows the bond between Cd and Sb atoms within the [CdSb_2 ]^(4-)polyanion is of covalent nature and that between the K/Ba atom and the[CdSb_2 ]^(4-)polyanion is of ionic character. Finally, The thermoelectric characteristics of K2BaCdSb2 Zintl material were analyzed by using the semi-classical Boltzmann transport theory incoreporated in BoltzTrap2 at a temperature of 500 K for charge carrier concentrations from 1.0 × 1018 to 3.0 × 1020 cm-3. When the concentration of holes is 1.0 × 1020 cm-3, the power factor reaches a value of 17 × 1010 W .m-1. K-2. s-1. For the p-doped K2BaCdSb2 with a concentration of 1.0 × 1018 cm-3, the electronic figure of merit ZTel is 0.95. These findings suggest that the K2BaCdSb2 Zintl material may play an important role in thermoelectric applications
dc.description.sponsorship	لقد قمنا في هذا البحث بالتحقيق في الخصائص البنيوية والمرونية والديناميكية الحرارية والإلكترونية و الكهروحرارية للمركب من نوع زينتل K2BaCdSb2 باستخدام طرق المبادئ الاولى (ab initio). تم حساب الخصائص البنيوية والمرونية والديناميكية الحرارية باستخدام نهج الموجة المستوية شبه المحتملة مع دالة التبادل والارتباط (GGA-PBEsol). تتطابق الخصائص البنيوية المتوازنة المحسوبة بشكل وثيق مع البيانات المتاحة. تم تحديد معاملات المرونة أحادية ومتعددة التبلور للمركب المدروس باستخدام طريقة شدة - تشوه. يكشفت تحليل هذه الخصائص أن المادة K2BaCdSb2 مستقرة ميكانيكيًا وهشة وتظهر تباينًا مرنًا واضحًا. تم استخدام نموذج ديباي شبه التوافقي كما هو مدرج في الكود (Gibbs2) لدراسة الخصائص الديناميكية الحرارية، بما في ذلك درجة حرارة ديباي ومعامل التمدد الحراري والسعة الحرارية عند حجم ثابت ، على مدى نطاق درجة الحرارة 0-500 كلفن. تنخفض الموصلية الحرارية الشبكية (klat) لـ2K2BaCdSb تحت تأثير درجة الحرارة T)). بحيثإنها تساوي W.m−1.K−1 0.58 عند درجة حرارة متوسطة تبلغ 500كلفن. تم تحديد البنية الإلكترونية لـ 2K2BaCdSb باستخدام طريقة الموجة المستوية المعززة الخطية ذات الإمكانات الكاملة (FP-L/APW+lo) مع إمكانية بيك-جونسون المعدلة بواسطة Tran-Blaha. تكشف حسابات بنية نطاق TB-mBJ بما في ذلك اقتران المدار الدوراني (SOC)، أن 2K2BaCdSb عبارة عن شبه موصل بفجوة نطاق مباشرة (Γ-Γ) تبلغ 0.85 إلكترون فولت. يُظهر تحليل الروابط أن الرابطة بين ذرات الكادميوم والأنيون داخل متعدد الأ يون [CdSb_2 ]^(4-) ذات طبيعة تساهمية وأن الرابطة بين ذرة البوتاسيوم\ الباريوم و متعدد الأيون [CdSb_2 ]^(4-) ذات طبيعة أيونية. أخيرًا، تم تحليل الخصائص الكهروحرارية لمادة الزينتل 2K2BaCdSb باستخدام نظرية نقل بولتزمان شبه الكلاسيكي المضمنة في (BoltzTrap2) عند درجة حرارة 500 كلفن لتركيزات حاملات الشحنة من cm-1 1.0× 1018إلى cm-1 3.0×1020. عندما يكون تركيز الثقوب cm-1 1.0×1020 يصل معامل القدرة إلى قيمة W.m−1.K−2.s-1 17×1010 . بالنسبة لـ K2BaCdSb2 المطعّم بالنوع بتركيز p cm-1 1.0×1018 فإن معامل الجودة الالكتروني (ZTel) هو0.95. تشيرهذه النتائج إلى أن مادة زينتل K2BaCdSb2 قد تلعب دورًا مهمًا في التطبيقات الكهروحرارية
dc.identifier.uri	https://repository.univ-setif.dz/handle/123456789/1045
dc.language.iso	fr
dc.publisher	Université Sétif 1 - Ferhat ABBAS , Faculté des Sciences
dc.subject	type de Zintl
dc.subject	GGA-PBEsol
dc.subject	Modules élastiques
dc.subject	Caractéristiques thermodynamiques
dc.subject	Structure électronique
dc.subject	SOC
dc.subject	Facteur de mérite (ZTel)
dc.title	Etude des propriétés physiques des matériaux thermoélectriques : calculs ab-initio
dc.type	Thesis

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1

Name:: E-TH2574 Etude des propriétés physiques des matériaux thermoélectriques Nasrallah, Hadjer.pdf
Size:: 4.66 MB
Format:: Adobe Portable Document Format

Download