3) Dispositif expérimental

La conductivité thermique, le coefficient Seebeck et la résistivité électrique ont été

mesurés simultanément entre 5 et 300 K en utilisant un cryostat PPMS (Physical Property

Measurement System). Il s'agit d'un équipement commercial de la société Quantum Design,

équipé de l’option de transport thermique (TTO) fonctionnant sous vide secondaire et assurant

un environnement adapté pour les mesures des propriétés de transport à basse température.

Le module de transport thermique mesure la conductivité thermique en contrôlant la

chute de température le long de l'échantillon lorsqu’une quantité connue de chaleur passe à

travers celui-ci. L'effet Seebeck est quantifié en mesurant la chute de tension électrique qui

accompagne la chute de température au sein de l’échantillon. Le système TTO peut effectuer

ces deux mesures simultanément en mesurant la température et la chute de tension aux bornes

de l’échantillon lorsque des impulsions de chaleur sont appliquées à une de ses extrémités. Le

système peut également mesurer la résistivité électrique ρ par une méthode à 4 contacts.

Le porte-échantillon (Figure IV-4a) est bien adapté pour mesurer des échantillons

massifs ayant de bonnes propriétés mécaniques. En effet, toutes les connexions entre le

barreau et les composants (puits de chaleur, four, capteurs de tension et de température) du

porte-échantillon sont réalisées à l’aide de vis (Figure IV-4b). Les barreaux (longueur L ~ 7

mm et section transversale s ~ 2,5 × 2,5 mm²) ont été découpés à l'aide d'une scie à fil

diamantée à partir du cylindre obtenu après densification par SPS.

Figure IV-1 : Photos (a) du porte-échantillon TTO et (b) d’un zoom sur l’assemblage. Une

plaquette de cuivre est enserrée dans l’étau du puits thermique à l’aide d’une vis pour fixer le

barreau sur le porte-échantillon. Les différents composants (four, capteurs de température et

de potentiel) sont vissés aux contacts en cuivre. Le pulse de chaleur est délivré par un petit

four résistif. Le courant I traverse l’échantillon à partir du four (I+) jusqu’au puits thermique

(I-). Les tensions résultantes (V+, V-) ainsi que les différences de température (Tc, Tf) sont

prises au niveau des deux contacts en cuivre.

Quatre contacts sur l'échantillon (deux sur les extrémités et deux le long du barreau) sont

nécessaires pour les mesures électriques et thermiques. Afin d’assurer une bonne connexion

avec les assemblages vissés intégrés dans le porte-échantillon, des contacts en cuivre ont été

utilisés. Ces éléments, qui sont initialement sous la forme de fils de diamètre 0,5 mm ou de

plaques d’épaisseur 0,4 mm, doivent être mis en forme (étapes de laminage, de découpage et

de pliage) pour être adaptés à la mesure de chaque échantillon afin de garantir des conditions

de mesure idéales. De plus, pour assurer de bons contacts électriques et thermiques entre

l'échantillon et les éléments en cuivre, une résine chargée à l’argent (Epo-Tech H20E) a été

utilisée. Le montage de l'échantillon sur le porte échantillon commence d'abord par sa

connexion au puits thermique (Figure IV-4b), effectuée en plaçant une plaquette de cuivre

située à l'extrémité de l'échantillon dans un petit étau serré par une vis. Le four résistif et les

deux capteurs de température (Cernox) sont alors connectés. Ces trois éléments sont collés sur

une petite pièce de cuivre revêtue d'or ayant une cavité (diamètre ~ 1 mm) à son extrémité où

le fil de cuivre sera placé. Le contact est assuré au moyen d'une petite vis qui bloque le fil.

Cette procédure doit être effectuée avec délicatesse tout en assurant un serrage suffisant. Les

thermomètres Cernox 1050, préalablement étalonnés, sont ensuite intégrés. Le four de type

résistif (~ 2 KΩ à température ambiante) est également calibré. Outre les fils qui assurent le

contrôle du four et des thermomètres, des fils supplémentaires sont inclus pour l'alimentation

électrique et les prises de courant. Ils possèdent un petit diamètre (~ 0,08 mm) et sont

constitués d'alliages composites (manganin ou alliage de cuivre pour l'alimentation en

courant) afin de réduire les pertes par conduction thermique le long des fils. Deux écrans de

radiation en cuivre doré sont également installés. Le premier écran, sous forme d'une plaque,

protège l'échantillon de l'influence des connecteurs électriques et le second, sous forme

cylindrique, est vissé sur le porte-échantillon et le protège de l'environnement extérieur.

Deux modes, stationnaire ou continu, sont disponibles pour la mesure de la conductivité

thermique et du coefficient Seebeck sous vide secondaire (<10-5 mbar). Dans le premier

mode, une fois le four alimenté, les mesures de ΔT et ΔV sont effectuées à température

constante après que les conditions d'état stationnaire ont été atteintes. Les valeurs de λ et S

sont alors déduites des équations IV-2 et IV-3. Le mode continu est beaucoup plus

sophistiqué. Dans ce cas, le four fournit une puissance électrique pendant un court laps de

temps seulement (le courant se présente sous la forme illustré Figure IV-14, la période du

signal variant de 30 à 1200 s). Pendant la mesure, la température n'est pas constante mais suit

une rampe préréglée par l'opérateur. Par conséquent, l'état stationnaire n'est jamais atteint. Il

sera simulé, comme le montre la Figure IV-5, par l'évolution durant une période (la période

comprend les phases de chauffage et de refroidissement) de la différence de température ΔT(t)

et de la tension ΔV(t) prise aux contacts internes de l'échantillon. Le modèle thermique utilisé

pour décrire le transfert de chaleur fait intervenir deux constantes de temps (modèle connu

sous le nom de "modèle 2τ"). Il est basé sur la modélisation développée à l'origine par

Maldonado [1] décrivant les réponses thermiques et thermoélectriques d'un échantillon

soumis à une impulsion de chaleur de basse fréquence et de l'expérience de Quantum Design

pour l'extraction de la chaleur spécifique (méthode de relaxation).

Figure IV-2 : Exemple d’extrapolation de ΔT(t) (ou ΔV(t)) pour modéliser l’état stationnaire

et continu.

Nous avons choisi d'effectuer toutes nos mesures en mode continu. Ce mode permet une

acquisition des données plus rapide que dans le mode stationnaire. De plus, ce mode est

fortement recommandé par les développeurs du module TTO. En outre, un algorithme

sophistiqué permet de contrôler les différents paramètres de mesure et d’ajuster au mieux la

période et la puissance du four, ce qui n'est pas possible en mode stationnaire. Les pertes par

radiation (observables pour T > 150 K lorsque l’échantillon possède une faible conductance

thermique) sont également estimées mais il s'avère, si l'on se réfère aux données collectées à

haute température, qu'elles sont toujours sous-estimées (d’environ 3 à 10% selon les

échantillons). Plus la conductance de l'échantillon est faible, plus l'écart est élevé. Puisque nos

échantillons présentent généralement une très faible conductivité thermique (environ 0,6 W

m-1 K-1 à 300 K), il n'est pas possible d'éliminer complètement les radiations même en

ajustant le facteur géométrique.