UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL SYSTÈME DE MESURE DES

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
SYSTÈME DE MESURE DES PROPRIÉTÉS THERMOÉLECTRIQUES APPLIQUÉ AU
PHOSPHORE NOIR
JEAN-DAVID GRENON
DÉPARTEMENT DE GÉNIE PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE PHYSIQUE)
AVRIL 2016
c
Jean-David Grenon, 2016.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé :
SYSTÈME DE MESURE DES PROPRIÉTÉS THERMOÉLECTRIQUES APPLIQUÉ AU
PHOSPHORE NOIR
présenté par : GRENON Jean-David
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
M. FRANCOEUR Sébastien, Ph. D., président
M. MÉNARD David, Ph. D., membre et directeur de recherche
M. MARTEL Richard, Ph. D., membre et codirecteur de recherche
M. MOUTANABBIR Oussama, Ph. D., membre

iii
DÉDICACE
C’est le travail que l’on n’a pas commencé
qui est le plus long à finir
- Hamfast Gamegie

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REMERCIEMENTS
Je dois d’abord et avant tout rendre grâce à Élisabeth pour son support moral et l’aide qu’elle
m’a donnée pendant ma rédaction. Jongler avec le travail le jour et le mémoire le soir était
déjà difficile, je n’aurais pas pu gérer seul une balle de plus.
Je veux aussi remercier David Ménard et Richard Martel pour le fascinant projet qu’ils m’ont
offert. Monter ce système de mesure a été un bon défi à relever et j’ai énormément appris sur
les phénomènes thermoélectriques pendant ma maîtrise.
Je dois également rendre son dû à Christian Lacroix pour son support sur le montage expéri-
mental, sans qui le système serait encore un heureux mélange de pâte thermique et de saphir.
Je lève aussi mon chapeau à Georges Cerny à qui je dis « merci beaucoup ». Je souligne aussi
l’assistance de Pierre Lévesque qui m’en a beaucoup appris sur les aspects moins évidents
des expérimentations sous vide.
Pour terminer, une attention toute particulière à mes deux bons vieux amis que le génie
physique ne m’a pas permis de voir aussi souvent que je l’aurais voulu, Antoine et Mathieu.
Je salue aussi mes amis du programme qui sont trop nombreux pour être énumérés ; j’ai eu
beaucoup de plaisir à discuter de physique avec vous.

v
RÉSUMÉ
Ce mémoire traite d’un projet visant à concevoir un système de mesure des coefficients
thermoélectriques du phosphore noir : la conductivité électrique, la conductivité thermique
et le coefficient Seebeck. Une grande partie est dédiée à l’explication de la provenance et des
implications des coefficients thermoélectriques, au développement du formalisme de l’équation
de transport thermoélectrique et à la comparaison entre les différentes méthodes de mesure
de conductivité thermique. Le montage détaillé dans ce document utilise une combinaison de
la méthode 3ω, une méthode électrique qui exploite la variation de la résistivité du matériau
avec la température pour en estimer le taux de diffusion de chaleur qui permet de mesurer
les conductivités, et d’un montage standard pour évaluer le coefficient Seebeck du phosphore
noir. La fonctionnalité de l’ensemble du système a été validé sur un fil de nickel et utilisé pour
caractériser un échantillon de phosphore noir. Le spécimen analysé par ce système présente
une conductivité électrique de 69 S/m, une conductivité thermique de 10.6 W/(K·m) et un
coefficient Seebeck de 250 µV/K, ce qui est cohérent avec les valeurs retrouvées dans la
littérature. Ce document aborde également l’impact d’un dopage en régime non dégénéré sur
le phosphore noir et admet qu’un poly-cristal dopé ppourrait atteindre un coefficient ZT de
0.015 à 300 K, qui demeure en-deçà de la valeur ZT ∼1nécessaire pour avoir des dispositifs
utiles. La conception du montage physique et du protocole de mesure ouvre une voie vers
l’optimisation de l’efficacité thermoélectrique du phosphore noir par dopage ionique, en plus
de pouvoir servir de point de départ pour des recherches avancées sur le caractère magnéto-
thermoélectrique du phosphore noir, dont la théorie prédit une expression intéressante.