universitÉ de picardie -...

109
UNIVERSITÉ DE PICARDIE C.N.R.S. r I?résentée à L'U. E. R. DES SCIENCES EXACTES ET tiATURELLES (Joue cbtenir LE DIPLOME DE DOCTEUR DE CYCLE ( Ch irnie Phys i que des téri aux ) PAR OOSSEH As s io n g bon Godwin Maitre Sciences Physiques SUR UNE INTEEPRETATIOtl DES DEFAUTS DE STRUCTURE o lJ SIJ L FUR EDE r L a 1,1 B 'SOUTENUE LE 1 n J n dl e t. 1 :JfI DEVANT Ll\ conn r SS ION D 1 '. " _ ... .; HN. F. rtl\HION ''l,. J. P. [) E U'Il\ [ lU: Il. LE onusQ J. l{l\SNEUR Pr â si de n t: E:xt1mi nll tf? H l'::

Upload: vuquynh

Post on 19-Aug-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

UNIVERSITÉ DE PICARDIE

N° C.N.R.S.

r

I?résentée à

L'U. E. R. DES SCIENCES EXACTES ET tiATURELLES D'~lIENS

(Joue cbtenir

LE DIPLOME DE DOCTEUR DE 3è CYCLE

( Ch irnie Phys i que des ~la téri aux )

PAR

OOSSEH As s io n g b o n Godwin

Maitre ~s Sciences Physiques

SUR UNE INTEEPRETATIOtl DES DEFAUTS DE STRUCTURE

olJ SIJ L FUREDE r La 1,1 B

'SOUTENUE LE 1n J n dl e t. 1 :JfI :~, DEVANT Ll\ conn r SS ION D 1 EXl\~1EN

'."

, .

.~ _...~:".' .;

HN. F. rtl\HION

''l,. • J. P. [) EU'Il\ [ lU:

Il. LE onusQJ. l{l\SNEUR

Pr â si de n t:

E:xt1mi nll tf? H l'::

Page 2: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

à mo 1'1 mai-tlte.

..1

" ~"1

Mon~ie.ult le. P~06e.~~e.ult MARION

T~moigna9e. de. plt060nde Iteeonnai~~anee.

Page 3: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

à ma me-Jte..

à mon pèJte..

à ma 6amille..

Page 4: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

Avant - p~opo~

Le p~é~ent t~avail a été e66e~tué dan~ le labo~atoi~e deMon~ieu~ le P~o6e~~eu~ MARION.

Nou~ ~omme~ heu~eux dJexp~ime~ a not~e malt~e not~e atta~he­

ment t~è~ ~in~è~e et not~e p~o6onde g~atitude pou~ la géné~o~ité

et la bienveillan~e ave~ le~Quelle~ il nou~ a p~odigué ~e~

~on~eil~.

Nou~ ~eme~~ion~, Mon~ieu~ le P~o6e~~eu~ VELMAIRE pou~

l'honneu~ qu'il nou~ a 6ait en a~~eptant de ~e joind~e

aux memb~e~ du ju~y.

Nou~ ~omme~ p~o6ondément ~e~onnai~~ant~ aMon~ieu~ le P~o6e~~eu~ LE BRUSQ dJavoi~ a~~epté de pa~ti~ipe~

à not~e ju~y.

Nou~ ~eme~~ion~, Mon~ieu~ RASNEUR, A~~i~tant, Vo~teu~

d'Etat è~ S~ien~e~ PhY~,tque~, pou~ lrinté~êt Qu'il a bien voulu

po~te~ a not~e t~avail et pou~ avoi~ a~~epté de 6ai~e pa~tie

de not~e ju~y.

Nou~ p~ion~, Mon~ieu~ CARTON, Malt~e-A~~i~tant,

de bien vouloi~ a9~ée~ l'exp~e~~ion de not~e p~o6onde g~atitude

pou~ nou~ avoi~ 6ait p~o6it~de ~on p~é~ieux ~on~ou~~.

Que no~ ~anla~ade~ de labo~atoi~e t~ouvent i~i mention

du plai6i~ que nou~ avon~ eu à t~availle~ ave~ eux.

Page 5: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

Nou~ ~omm~~ h~u~~ux d'~xp~im~~ no~ vi6~ ~~m~~~i~m~nt~

a Mon~i~u~ VUFRANCATEL pou~ l'aid~ qu'il nou~ a appo~t~~ dan~

la ~lali~ation t~~hniqu~ d~ ~~ t~avail.

M~~dam~~ COUZIN ~t SEGUIN ont pa~ti~ip~ a l'imp~~~~ion d~ ~~

mémoi~~. Qu'~ll~~ ~n ~oi~nt viv~m~nt ~~m~~~i~~~.

Page 6: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION

CHAPITRE A

PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DES SULFURES METALLIQUES

l - Rappel de la classification expérimentale

de ces composés .

II - Sulfure présentant une transition type n-

ty pep .

CHAPITRE B

TECHNIQUES EXPERIMENTALES

l - Préparation du sulfure de plomb .

II Réalisation et mesure des pressions par-

ti ell es de soufre .

III - Application aux mesures électriques à

haute température ..

IV - Thermogravimétrie .

V - r·1 e sur e des den s i tés .

VI - Diffraction des RX .

p. 1

p. 3

p. 4

p. 12

p. 20

p. 22

p . 25

P• 31

p. 35

P• 37

P• 39

Page 7: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

CHAPITRE C

RESULTATS EXPERIMENTAUX

l - Variations du paramètre cristallin .. ,

II - Variations de la conductivité électri-

que à haute température ,.

III - Variations du coefficient de pouvoir

thermoélectrique à haute température ..

IV - Evolution de la conductivité électrique

et du coefficient de pouvoir thermo­

électrique au cours d'un refroidisse-

ment continu .

V - Var fa t ion s de lié car t à las to e chi 0 mé-

tri e .

VI - Densi té .

CHAPITRE 0

INTERPRETATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX

CHAPITRE E

ETUDE DU SULFURE DE PLO~B DOPE PAR UN METAL

l - Influence du dopage de PbS par un autre

métal .

II - Préparation des produits dopés .

III - Variations de la conductivité élec­

trique du sulfure de plomb dopé en fonc­

tion de la pression de soufre et de la

température .

p. 40

p. 45

p. 47

p • 50

p. 54

p. 58

p. 59

p. 61

p. 66

p. 67

p. 70

p. 70

Page 8: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

a) PbS dopé avec du cuivre . . . . . . . . . . p. 70

b) PbS do pé avec du zinc . . . . . . . . . . . . p. 72

c ) PbS dopé avec du chrome . . . . . . . . . . p . 76

d ) PbS dopé avec du Thallium . . . . . . . . p . 76

e) PbS do pé avec du bismuth . . . . . . . . . p. 81

CONCLUSIONS

BIBLIOGRAPHIE

IV - Variations du coefficient de pouvoir

thermoélectrique du sulfure de plomb

dopé en fonction de la pression de sou-

fre et de la température .

V - Conclusions et interprétation des ré-

sultats .

p. 84

p. 94

p. 96

p. 101

Page 9: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-1-

l N T R 0 DUC T ION

Le sulfure de plomb semi-conducteur à

transition n-p est un composé oui a fait l'objet

de nombreux travaux.

Nous nous contenterons ici, de citer les

résultats les plus significatifs dans le cadre de

notre étude sur les défauts de structure du sul­

fure de plomb.

GENTA (1), BREBRICK et SCANLON

ont obtenu un sulfure de plomb contenant un léger

excès de soufre en le chauffant dans de la vapeur

de soufre.

HINTERBERGER (3), MORTON (4), DUNAEV

et ~ffiSLAKOVETS (5), SCANLON (6) l'ont chauffé

dans le vide et en atmosphère d'argon et ont obtenu

un sulfure contenant un léner excès de plomb.

BLOE~~ (7) en 1955 fait varier de façon

continue la proportion de soufre dans le sulfure

en le chauffant dans une atmosphère sulfurante

constituée par un mélange d'H 2S ct d'H 2 en

Page 10: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-2-

faisant varier le rapport

PH S2

des deux constituants du mélange.

BREBRICK et SCAN LON

des pressions

(2) ont effectué

une trempe pour ramener et conserver à la température

ordinaire l'état d'équilibre réalisé à haute tempé­

rature.

Nous avons entrepris en collaboration

avec Daniel CARTON et Jean RASNEUR l'étude des

propriétés physico-chimiques (variations du paramètre

du système cristallin, de la conductivité électrique

à haute température, du coefficient de pouvoir thermo­

électrique à haute température, de l'écart à la stoe­

chiométrie à haute température, de la densité) du

sulfure de plomb en fonction de la température et de

la pression de soufre.

Les résultats ainsi obtenus permettent de

définir la nature des èifférents défauts de structure

et de donner une interprétation originale de la répar­

tition de ces défauts dans le sulfure de plomb pur.

Ensuite, l'évolution isotherme de la conduc­

tivité et de la transition n-p sera suivie en fonction+ + 2+ 3+

de quelques éléments d'addition: Tl , Cu ,Zn ,Cr.3+et Bl .

o

o

o

Page 11: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

CHAPITRE A

PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES

DES SULFURES METALLIQUES

-0 -

Page 12: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DES SULFURES METALLIQUES

A-I RAPPEL DE LA CLASSIFICATION EXPERIMENTALE DE CES COMPOSES

L'étude expérimentale de la composition chimique et des

propriétés électriques des sulfures métalliques en fonction

de la température et de la pression de soufre a permis à

J. RASNEUR (8) d'effectuer dans le laboratoire un classement

de ces composés.

La variation éventuelle de la composition chimique (nulle,

faible, ou forte) divise tout d'abord les sulfures en deux séries

distinctes

- les sulfures rigoureusement stoechiométriques

- les sulfures non stoechiométriques en fonction de la

température et de la pression de soufre.

Ensuite, chacune de ces 2 séries est alors partagée en 2

catégories selon les variations de leur conductivité électrique

ou de leur coefficient de pouvoir thermoélectrique.

A-11ère SERIEa SULFURES STOECHIOMETRIQUES

Ces composés possèdent une composition chimique

constante dans toute l'étendue de leur domaine de stabilité.

Leurs caractéristiques physiques (densité, paramètres cristallo­

graphiques ... ) et électriques sont invariables quelle que 30it

la pression de soufre à température constante.

Page 13: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-5-

Cependant, ces propriétés électriques sont différentes

suivant les composés : certains sulfures stoechiométriques

possédent une conductivité électrique très faible (proche des

isolants) par contre d'autres ont une conduction de type semi­

métallique.

SULFURES STOECHIOMETRIQUES QUASI ISOLANTS

ELECTRIQUES

L t soufre d ~ f i te rappor ?t l u compose est lxe eme areprésente un nombre entier (valence habituelle du métal intér~s-

s ê ) •

Le composé ne posséde pas de défauts de structure si bien

que sa conductivité électrique est faible. Les impuretés

éventuelles ainsi que le phénomène d'agitation thermique provo­

quent une très faible conduction ionique par formation de défauts

de FRENKZL (association d'une lacune et d'un ion interstitiel

de même origine) ou de SCHOTTKY (lacunes ioniques et cationiques

simultanées).

Le coefficient de pouvoir thermoélectrique est de slgne

quelconque, élevé en valeur absolue.

Remarque

Ce coefficient de pouvoir thermoélectrique d'un composé

noté Q est défini par :

lim 6VQ = 6T+O (6T)

Page 14: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-6-

=6V

Il correspond à la différence de potentiel 6V fournie par celui

Cl quand il est placé dans un gradient de température 6T.

Par convention : 6V = potentiel du point froid - potentiel du

point chaud.

l'indice F pour le point froidavec l'indice C pour le pont cnaud.

Cette mesure est une caractéristique du composé. Elle est indé­

pendante de la géométrie de l'échantillon.

SULFURES STOECHIOMETRIQUES DE CONDUCTIONS

SEMI-METALLIQUES

soufreLe rapport >t l du composé est fixe maisme ane représente pas un nombre entier. La présence simultanée d'ions

de valences différentes leur confère une conductivité électrique

élevée. Le coefficient de pouvoir thermoélectrique isotherme

est faible en valeur absolue et constante.

Remarque

Certains sulfures de cette catégorie possèdent une formule

chimique simple sans être constitués d'ions de valence identique.

Ils sont formés d'un mélange d'ions de valences inférieures et/ " '1 /"" soufre l T Ssuperleures a ce le deflnle par le rapport métal: exemp e a 2

qui est constitué d'ions Ta2 + et Ta5 + .

A-I b 2ème SERIE SULFURES NON STOECHIOMETRIQUES

Un sulfure sera dit faiblement non stoechiométrique" l i a t i d soufre / % S"Sl es varla lons u rapport /t l n'excedent pas 3 o. l cetteme a

variation est supérieure à ce chiffre, la"non stoechiométrie

Page 15: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

,,

-7-

sera considérée comme forte.

A-I SULFURES FAIBLEMENT NON STOECHIOMETRIQUESb1

soufreLes variations du rapport ?t l sont duesme a

à la présence de défauts de structure dans le réseau cristallin.

Quatre types de défauts élémentaires sont généralement rencontrés

- des lacunes métalliques

- des lacunes en soufre

- du métal interstitiel

- du soufre interstitiel.

Nous définissons par x l'écart à la composition stoechiomé­

trique du sulfure. Pour un composé MaS S ' x est relatif à a si le

défaut porte sur le métal et à B si l~ défaut porte sur le

soufre. Nous distinguerons les lacunes par -x et les ions

interstitiels par + x. L'étude de ces composés a fait l'objet

de grands développements théoriques. Nous allons les résumer

dans ce qui suit. Toutes ces théories ne sont valables que si

un seul type de défaut de structure est présent dans le sulfure.

Tant que la non stoechiométrie est faible, les variations de x

en fonction de la pression de soufre suivent généralement une

l . d t l/m . ~. t01 U ype x œ PS avec m nombre relatlf, non necessalremen

entier, dépendant &e la nature des défauts de structure.

Les variations de la composition chimique créent à l'inté­

rieur du réseau cristallin des modifications de la configuration

électronique par formation d'électrons de conduction (type n)

ou de trous électroniques (type p).

WAGNER (9) et SCHOTTKY (10), SElTZ (11), HOGARTH (12), puis

KROGER et VINK (13) ont montré que la conductivité a est une

fonction de la pression de vapeur de l'un des constituants

Page 16: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

Q- -

en équilibre thermodynamique avec le composé. Pour les sulfures

métalliques, la conductivité électrique est uniquement fonction

de la pression de soufre suivant la relation

° cr Ps l/m . m est négatif pour le type n et positif pour le2

type p. Cette loi est à rapprocher de celle des variations de

l'écart à la stoechiométrie x en fonction de la pression de sou­

fre :

x cr et ° cr P l/ms~

L

avec m identique dans les deux

relations. Nous en déduirons que ° cr x. Expérimentalement, une

loi ° = kx + 00 est souvent vérifiée à température constante.

00 dépend de la conductivité ionique et des impuretés présentes

dans l'échantillon. HOGARTH (12) puis KROGER et VINK (13) ont

ensuite montré que le coefficient de pouvoir thermoélectrique

suit dans ce cas la loi

kQ = - em 2,3 log 10 Ps + ete.

2

k est la c~e de BOLTZMANN, e la charge réelle d'un porteur

(négative ou positive) et m identique au coefficient précédent.

Toutes ces lois impliquent que pour une faible variation de la

composition chimique, la conductivité isotherme ainsi que le

coefficient de pouvoir thermoélectrique isotherme varient consi­

dérablement avec la pression de soufre.

SULFURES FORTEMENT NON STOECHIOMETRIQUES

Ces composés présentent un écart à la stoechio­

métrie important. Ils possèdent de nombreux défauts de structure

parfois de nature différente.

Leur conductivité électrique est de ce fait très élevée,

Page 17: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-9-

de type semi métallique. Leur coefficient de pouvoir thermoélec­

trique est faible en valeur absolue. Ces deux propriétés varient

avec la pression de soufre. Cependant les variations relatives

de cr et de Q sont faibles et ne permettent pas d'en déduire la

nature des défauts responsables de la non-stoechiométrie.

Par contre, les variations importantes de la composition

chimique imposent de fortes variations à la densité du produit.

Les paramètres cristallographiques de la maille étant

connus en fonction de la composition chimique, la nature et

le nombre d'ions présents dans le sulfure peuvent être détermi-•nés.

Les propriétés des LI catégories de sulfures sont résumées

dans le tableau nO 1.

Les défauts de structure donnant des compositions chimiques

moins riches en soufre à quantité de métal égale que le composé

stoechiométrique (lacune en soufre ou métal interstitiel) sont

tous générate~rs d'électrons libres conférant un type n de

conduction. Inversement, les défauts donnant une composition

chimique plus riche en soufre (lacunes métalliques ou soufre

interstitiel) sont tous générateurs de trous électroniques

conféranL un type p de conduction.

Pour un sulfure de type n, e et m sont négatifs. Pour un

sulfure de type p, e et m sont positifs. Leur produit sera donc

toujours positif si bien que

d Q

;:Jlog Ps, 2

est toujours négatif.

Page 18: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-l'î-

TABLEA.U

Classification des sulfures

en fonction des variations de leur composition chimique

et de leurs propriétés électriques entre 500 et 1000°C.

Compositionchimique

Variations durapport

soufre't l . atom.me a

Conductivitéélectrique

UtM)-1

Coefficient depouvoir ~catégoriE

thermoélectrique:

(~V/oC)

._--------------------------------_._-------. . .

constante

(sulfurestoechiométrique)

nulles

constante ettrès faible

a < 102

constante etforte

a > 10 5

fort etconstant

Q > 100

faible etconstant

Q < 100

1

2

----------------------------------_._--------------_.----------------_._-------. . . .

variable< 3 ~.

très fortes

variations

très fortes

variations3

. - - - - - - - - - - - - - - - . - - - - - - - - - - - - - - - - . - - - - - - - - - - - - - - - - - . - - - - - - - -(sulfure: . très forte avec; faible avec .

n-stoechiométrique): > 3 4% de faibles de faiblesvariations variations

Page 19: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

--11-

Nous avons démontré précédemment que les défauts de type n

engendrent une composition chimique moins riche en soufre que

la composition stoechiométrique tandis que les défauts de type p

engendrent une composition chimique plus riche. D'autre part,

la composition chimique est d'autant plus riche en soufre que

la pression de soufre est forte.

Certains sulfures, possédent un large domaine de stabilité

dans l'échelle des pressions de soufre et présentent des défauts

de type n dans les faibles pressions et des défauts de type p

dans les plus fortes. Ce phénomène rencontré fréquemment dans

nos études est appelé transition n-p.

Dans le sous chapitre suivant, nous allons prévoir l'influen­

ce de cette transition n-p sur les propriétés physiques et

chimiques d'un sulfure. L'intérêt de ce travail sera de retrou­

ver théoriquement les catégories de composés décrites précédem­

ment.

Page 20: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-12-

A-II SULFURE PRESENTANT UNE TRANSITION TYPE N - TYPE P

Considérons un sulfure idéal,stable dans toute l'étendue

du domaine des pressions de soufre et dérivant du composé

stoechiométrique MaS s . Nous choisissons pour celui-ci une

non-stoechiométrie de type n dans les faibles pressions par

formation de lacunes en soufre, puis dans les fortes pressions,

une non-stoechiométrie de type p par lacunes métalliques. Le

sulfure s'écrit M Sp et nous faisons varier x et y de 0 aua-x fJ-ymaximum possible.

Nous représentons par les 4 courbes isothermes (fig. 1 à 4)

en fonction de la pression de soufre, les variations des paramè­

tres suivants :

8-ya) composition chimique caractérisée par le rapport a-xb) écarts à la stoechiométrie x et y.

c) conductivité électrique totale cr

d) coefficient de pouvoir thermoélectrique Q.

Ces 4 courbes sont représentatives du phénomène qualitativement

mais non quantitativement: les échelles sont quelconques. Nous

avons divisé l'échelle des pressions de soufre en zones numéro­

tées. Les limites de ces zones de pressions de soufre sont les

mêmes pour les 4 courbes.

Pour la pression de soufre désignée par PST' le composé

possède la composition chimique M S avec:a-x 8-y

~=~ = ~ (rapport ~ du sulfure stoechiométrique)

Pour les pressions de soufre inférieures à PST' les défauts

de type n sont prépondérants. y devient notable tandis que x

tend vers O.

Pour les pressions de soufre supérieures à PST' les défauts

de type p sont majoritaires, x augmente tandis que y tend vers O.

Page 21: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-13-

~-y

a-x1 1

3 1 2,

14 2 1 3 4

1 ~1 1

1 1 1

1 11

11 1

1

1 11 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 11 f3

!1 -

1 1a

11 1 1 1

11 1

1

11

1 1

1 1 1 11

1 1 1 1 11

1 1 11

11 1 1

1 1

11 1

11

1 1zone n1

11 )I(

ZOne p

~--1 11 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 11

1

1 11

11 1

PST log P S210

El.g , 1 : Variations isothhennes de la compos l t ion chimique d'un sulfure rI[ Ss ena-x -yfonction de la pression de soufre.

Page 22: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-14-

log x

log y

1 1 11 ,

4 1 3 2 1 1 21

31

4

----i 11

1 1

111

1

11

1 1

1 1y max1

11

1 11

11

1 1 1

11 x max

1 -1

1 1

11

l' 1

11

1 1

11

11

11

1 1 1

11

1 1

1 11

1

11

1

1 1 1 1

11 1

1

1

1 111 1

11 1

11

1 1 11 1

1 1 1 11

1 1 l.; _1 001 1\vers 1- 00

1 1 1 11

1 1 1 1 1

PST log PSZ10

?ig. 2 : Variations isotherrnes des écarts ~ la stoechiométrie x et y d'un sulfure Ma- Ssx -y

en fonction de la pression de soufre.

Page 23: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-15-

1Q(,u'!oC)

4 3 2 1 1 2 3 4

1

1

1 "~ 1

1

-,"I Qp

1

1 1" 1

1 1-,

1

11

1

1 1

1 1 ~ Qp

1 1 1

"1

-,-,

! 1 1 '1

11

0

1

1

11

11 1

11

11

1

1 11

11

1

1 '\ 1

1 \1 1

1 Qn\ 1 1

1j\

1

1 1\ 1

1 1\

\1PST log PS

10 2

FiG. 3 : Variations isothermes du coefficient de pouvoir thermoélectrique d'un sulfure

~1 Ss en fonction t1': la pression de soufrea-x -x,f

Page 24: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-16-

logŒ

1 11

4 1 3 1 2 1 2 31

41 1

-----j 1 r-I 1 11

1 11

1 Up ma'{1 -

11

11

11

1

1

1

1

f" 1

1 ~ 1

1 / ~1 /6~ 10."r i -? "

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1

PST log PS210

i Fig. 4 : Variations isothermes de la conductivité électrique d'un sulfure M SB ena-X -y

fonction de la pression de soufre

Page 25: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-17-

Dans les zones 2 3 et 4 (fig. 1 à 4), le sulfure

possède un type n pratiquement pur. Il s'écrit MaSS_Y.

La zone 2 est la plus intéressante car toutes les

variations iosthermes observées obéissent aux lois théoriques

énoncées dans Je sous c hap i tre précédent, c' es t -à -dire :

log x lX log l/m- Ps2

- log 0" œ log l/mPS

2

- Q = 198,4 log PS + cte\ ml 2

- 0" = k x

Ceci est représentatif d'un sulfure de la 3e catégorie

caractérisé par une faible non stoechiométrie.

La zone 3 est l' extention de la précédente. Le sulfure

est un composé non stoechiométrique de type n par formation de

lacunes en soufre. Quand le nombre de ces lacunes devient impor­

tant, un phénomène de saturation intervient. Les défauts de struc­

ture deviennent proches les uns des autres et nous ne pouvons

plus les considérer comme isolés. Ce sont des défauts associés

dont les mécanismes et les équilibres de formation sont différents

des précédents malgré leur origines communes.

En conséquence, dans cette zone 3, les variations isother­

mes de x, 0" et Q en fonction de la pression de soufre ne suivent

plus la loi linéaire constatée dans la zone 2 et deviennent

asymptotiques par l'effet de saturation.

Le sulfure est ici un composé fortement non stoechiométrique

dont la composition chimique varie beaucoup. Il est très

Page 26: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-18-

conducteur et son coefficient de pouvoir thermoélectrique est

faible. Il correspond à la 4e catégorie des sulfures.

Dans la zone 4 des pressions de soufre> l'écart à la stoe­

chiométrie x est maximum et la compoàtion chimique du sulfure

ne varie plus.

Nous considérons qu'il s'agit d'un composé défini stoechio­

métrique> de conductivité semi-métallique> à coefficient

de pouvoir thermoélectrique très faible> caractéristique de

le 2e catégorie des sulfures.

Dans les zones 2' 3'

un type p pratiquement pur. Il

de ces 3 zones est identique à

gues du type n.

Nous retrouvons donc

et 4' > le sulfure possède

s'écrit MS. L'interprétationa-X

celle proposée pour leurs homolo-

- zones 2 et 2 ' deux sulfures faiblement non stoe-

chiométriques caractéristiques de la 3e catégorie.

- zones 3 et 3'métriques (4e catégorie)

deux sulfures fortement non stoechio-

- zones 4 et 4' deux sulfures stoechiométriques de

propriétés électriques semi-métalliques (2e catégorie)

Dans la zone 1 le nombre de défauts de type n est du

même ordre de grandeur que celui des défauts de type p. Le sul­

fure s'écrit M SB . Comme le nombre total de défauts esta -x -ymoins élevé> la conductivité électrique est plus faible. Elle

est la somme des conductivités cr et cr correspondant à chaqueIl n p

type de dé fau t (vo ir figure '73 ) .

De même le coefficient de pouvoir thermoélectrique

Page 27: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-19-

total est la résultante des contributions Q et Q caractéristi-n p

ques de chaque type de défaut suivant la loi

+ crn

Comme Qp est positif et Qn négatif, Q total change de signe dans

cette zone 1.

Pour la pression de soufre PST la composition chimique du

sulfure est M SCL-X B-y avec :

S-y = SCL-X CL

ce qui entraîne la relation ~ = ~ entre les défauts x de type pa x

et ceux y de type n. Elle est équivalente à celle du composé

stoechiométrique. Le plus souvent, pour cette pression PST la

conductivité électrique est minimale et le coefficient de pou­

voir thermoélectrique s'annule exactement. Ceci n'est pas

toujours vrai et un petit écart de pression de soufre entre ces

trois points peut s'observer à cause d'une différence de mobilité

des charges électriques libérées par les défauts de type n ou p.

Pour les pressions PST' nous avons vu que B-y = ~ .a-x CL

Il ne s'agit cependant pas d'un sulfure stoechiométrique quasi

isolant électrique caractéristique de la première série de

composés car son coefficient de pouvoir thermoélectrique est

nul au lieu d'être élevé en valeur absolue.

Remarque :

En faisant varier x et y de 0 au maximum possible, le

sulfure M SD a permis de retouver 3 des 4 catégories.CL-X IJ-y

La catégorie des composés stoechiométrique~, quasi isolants

électriques ne peut être retrouvée qu'en annulant exactement

x et y (x - y 0)

Page 28: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-20-

CHAPITRE B

TECHNIQUES EXPERIMENTALES

-0-

Page 29: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-21-

B TECHNIQUES EXPERIMENTALES=========================

Nous allons décrire successivement les

techniques opératoires suivantes, utilisées dans

l'étude du sulfure de plomb:

- la préparation des échantillons

la réalisation et la mesure des pressions

partielles de soufre

- les mesures électriques à T et Ps connues

- les expériences de thermobalance 2isotherme

à Ps variables2

- les mesures de densité des produits trempés

- l'analyse des phases trempées par diffraction

aux rayons X.

Page 30: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-22-

B - 1 PREPARATION DU SULFURE DE PLOMB

B-I PREPARATION DU SULFURE DE PLOMBa

PULVERULENT

Deux méthodes ont été utilisées pour la

préparation d'une poudre polycristalline de sulfure

de plomb pur.

PAR PRECIPITATION D'IONS Pb 2+

EN SOLUTION

En faisant passer un courant continu

d'H 2S dans une solution aqueuse chaude de nitrate de

plomb, nous obtenons un précipité noir de sulfure de

plomb qui est facilement filtrable. Ce précipité est

soigneusement lavé à l'eau chaude puis séché sous vide.

Les traces éventuelles de produits oxydés qui auraient

pu apparaître durant les opérations de filtration et de

séchage ne sont pas gênantes, car ces composés seront

eux-mêmes sulfurés à l'état de PbS par action d'atmos­

phères contenant une forte pression de soufre à haute

température (H2S

par exemple).

PAR REDUCTION SULFURANTE DE PbS0 4

La réduction ménagée de PbS0 4 pur

dans un mélange gazeux H2-H 2S entre 500 0 et 700 0 conduit

directement à du PbS noir.

Page 31: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-23-

PURETE DU SULFURE DE PLOMB

Les produits oxydés éventuels

restant dans le sulfure de plomb (nitrate, oxydes,

oxysulfures) sont réduits par le mélange gazeux

H2-H 2S à haute température.

En conséquence la pureté du sulfure de

plomb dépend uniquement de la pureté du produit de

départ (Pb(N03)2)'

La principale impureté est du Fe

avec une teneur maximale de 20 ppm.

OBTENTION D'UN BARREAU MUNI DE CONTACTS

ELECTRIQUES

La poudre polycristalline de sulfure de

plomb est tassée dans une membrane en latex d'environ

4 cm de longueur et de 0,40 cm de diamètre . (fig. 5 a).

Des contacts électriques (or ou alliage

kanthal) sont introduits dans la poudre polycristalline,

à chaque extrémité de la membrane, par l'intermédiaire

d'un bouchon en caoutchouc (fig. 5 b). Le tout est

comprimé à la presse isostatique à 1000 bars. En

retirant la membrane et le bouchon en caoutchouc, le

barreau de PbS apparait sous forme d'un cylindre régu­

lier que prolonge un fil de contact (or ou alliage

Kantha1) (voir fig. 5 c ) .

Page 32: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-24-

( a ) D

(b) ----18...:;..;~_j_~o~_·_.....;......_"_.-·.....;,~_.f.....;,J3~----

.. --1•---------\....- 0 _0 -------

( c )

Fig. 5 a) membrane en latex et bouchon en caoutchouc utilisé pour la

fabrication d'un barreau de PbS

b) PbS pulvérulent entouré par la membrane en latex et les bouchons de caout­

chouc munis d'un contact électrique

c) barreau de PbS muni d'un contact

Page 33: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

B - II

-25-

REALISATION ET MESURE DES PRESSIONS PARTIELLES DE SOUFRE

L'étude à haute température du sulfure de plomb

à l'équilibre thermodynamique nécessite la réalisation de

pressions partielles de soufre.

Le sulfure de plomb n'étant pas très sensible à

l'oxydation par des traces d'eau ou d'oxygène libre,nous

avons utilisé l'appareil mis au point au laboratoire par

H. LE BRUSQ et J.P. DELMAIPE (14 et 15) constitué d'un

saturateur à vapeur d'eau et d'une colonne remplie de

sulfure d'aluminium A12S 3(fig. 6).

Le gaz vecteur utilisé (95 % N2

- 5 %H2,

H2

pur)

se sature en vapeur d'eau à température connue et cette

vapeur est convertie quantitativement en H2S selon la

réaction :

+

Le mélange gazeux obtenu possède une pression

partielle d'H 2S constante et bien déterminée. Cette mêthode

permet d'obtenir à haute température des pressions partielles

de soufre calculées d'après les données thermodynamiques

d'H S (16).2

Considérons un mélange gaz neutre - H2S

- H2

dont les pressions partielles sont respectivement po,

Po pOH2S' H2

Posons = A (1) = B ( 2 )

Page 34: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-26-

•<

, <

III,

•2

~ /,-

,

X X X Xli

,-/

• X X X,-/

/'

III

X X X X1

"

1

FIGURE 6 Schéma du générateur de press~ons partielles

de soufre

(]) - saturateur à vapeur d'eau

~ - colonne remplie de sulfure d'Aluminium

Q) - bain thermostaté.

Page 35: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-27-

La pression de soufre résultant de la disso-

ciation d'H S,

la température T est donnée la2

a par

formule

p 1/ 2PH

m S2Kp = 2 ( 3 )

PH2

S

avec PH S = pO - 2 PS ( 4)2

H2

S2

et = (5 )

Pour une pression totale

Les équations (1) (2 ) et (fi ) donnent

Pt - PSpO = 2 ( 7 )

AB + B + 1

B ( P - Ps )t

p?, = 2 ( 8)ti

2 AB + B + 1

AB (Pt - P )S2

AB + B + 1

Page 36: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

')0-L ;-

Des équations ( 3) à (5 ) et (7) à (9 ) on obtient

B. Pt + Ps (2AB + B + 2 )m 1/2 21(-'-r.p = P

S2 .i',B Pt - Po ( 3 AB + 2B + 2 )ù 2

Avec un mélange H2S,

H2

le rapport B devient infini

et l'équation (10) devient:

Pt + PS (2 A + 1 )T 1/2 2 (11)Kp = PS

2 APt - PS ( 3 A + 2 )2

Avec un ~élange H2S-gaz

neutre le rapport B devient nul

et le rapport des pressions partielles d'H 2S et de gaz

neutre est égal à AB, l'expression (10) devient alors:

T 1/2 2 PS (AB + 1 )Kp p~ 2 (12)~. 2

AB Pt - ( 3 AB + 2) PS• 2

• - Avec

donne

pur, le rappo~t A est infini et la relation (10)

2 Ps'1' 1/2 2 (13)Kp = p

S2"D - P". t - - ù

2

Les 2baq~03 (fig. 7) donnent la pression partielle de soufre

ohtsnue de 500 0 ~ ~000 cn fonction du rapport H2S/H2

fourni

par le g6n6~2teur.

Les pressions partielles de soufre fournies par le générateur

sont contrôlées dans le four laboratoire, au niveau même de

Page 37: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

+1o-1-2

log Ps10 2

-6

-8

-10

1

Fig. 7, Variations de la pression partielle de soufre en fonction du rapport PH slPH2 2

Page 38: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-30-

l'échantillon étudié, par une sonde de MnS dopé avec 1 %de vanadium suivant la technique mise au point par J.P. DELMAIRE

et E. LE BRUSQ (14 et 1~) et mod ifiée par J. RASNEUR (8).

La loi de variation isotherme de la résistance électrique du

sulfure de ~1nS dopé ou non en fonction de la pression partielle

de soufre s'écrit:

log = - 0,208 log. PS2

1 1(avec = ï:["ï)m '+,0

Cette relation est déterminée de 600° à 900°. Elle relie

chaque valeur de la résistance électrique à une pression

partielle de soufre.

Le grand domaine de stabilité de MnS et la parfaite

reproductibilité des mesures permettent alors de réaliser

le dosage des PS dans les gaz neutres et l'hydrogène.2

Page 39: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

B - III

-31-

APPLICATION AUX MESURES ELECTRIQUES A HAUTETEMPERATURE

Le sulfure de plomb après fusion convient mal

aux exigences de nos expériences. Massif, donc peu perméable

aux gaz, sa mise en équilibre avec la pression de soufre est

trop lente à réaliser, surtout dans la zone 500 2. SOOaC.

Aussi, nous avons préféré opérer sur des barreaux

cylindriques obtenus par compression isostatique jusqu'à

2000 bars, de poudre de sulfure de plomb, puis frittage. Les

échantillons obtenus sont suffisamment poreux pour permettre

une bonne diffusion du gaz à l'intérieur du barreau et une

rapide mise en équilibre avec la pression de soufre

(30 minutes environ vers 700 a c ) .

Les premières expériences ont été réalisées en

utilisant des fils de contact en or, ce métal ne se sulfurant

pas. Malheureusement au-dessus de 700°C, la diffusion de

plomb métallique dans l'or entraine la formation d'un alliage

fusible, responsable de nombreuses ruptures de contacts.

Aussi, avons-nous essayé d'autres métaux et

alliages.

L'utilisation de fils de Kanthal (0 = 0,5 mm)

nous a donné entière satisfaction la plage de température

d'utilisation de ces fils s'élève jusqu'à 1330 0C et les

alliages Kanthal sont plus stables que les alliages au nickel

en atmosphère contenant du soufre. Ces fils ont parfaitement

résisté à nos expériences à 800 et 900°C : la résistance

électrique de ces fils, avant et après expérience, a été

mesurée et trouvée constante.

Page 40: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

i

i

-32-

n'autre part, une expérience témoin, sans barreau,

a consisté à mesurer la résistance électrique de la même

longueur de fils de contact dans les conditions expérimen­

tales habituelles de température et d'atmosphère. Cela nous

permet d'accéder à la résistance électrique du seul barreau

de sulfure de plomb, in situ. En effet, la résistance des

fils de contact en kanthal est loin d'être négligeable devant

la résistance électrique du barreau du sulfure de plo~b.

A partir de la mesure de la résistance du barreau

de PbS fritté, de sa longueur et de son diamètre, nous avons

déterminé la valeur de la conductivité. Nous avons en effet:

R l 4 lR TI d 2

= p = p p =s d 2TI 4 l

d'où 1 4 lcr = ~ =P

TI d 2R

Le coefficient de pouvoir thermoélectrique Q~r

d'un composé est défini par la limite du rapport ~T

lorsque ~T tend vers zéro

Q = lim~T+O

~V est la différence de potentiel fournie par l'échan­

tillon lorsqu'il est placé dans un gradient de température.

Par convention :

~v = potentiel du point froid iTF - pote~tiel du point chaud Vc

~T = température du point chaud TC - température du point froid TF

Page 41: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-33-

Cette mesure est une caractéristique du composé car le

v - Vrapport

!1V 'F C=!1T 'T' TF-C

est indépendant de la géométrie de l'échantillon.

L'étude du coefficient de pouvoir thermoélec­

trique Q est conduite en plaçant le barreau dans une

zone du four oü la température est hétérogène.

Le gradient de température, de l'ordre de 20°C,

entre les contacts de mesure du barreau, est mesuré à

l'aide d'un thermocouple différentiel Platine-Platine

rhodié à 10 %. Ce couple, dont les soudures sont

situées exactement ~ l'aplomb des contacts du barreau,

est enfermé dans une gaine de silice,étanche (voir

figure 8).

Page 42: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-34-

(J) V/A

<D LI)~ (3)

>-@ ~

t Four 1

Fig. 8 Dispositif expérimental de la mesure du coefficient de pouvoir thermoélectrique

et de la conductivité électrique.

CD couple the~oélectrique différentiel

@ gaine réfractaire étanche

CD échantillon polycristallin de sulfure de plomb

QD fil d'or ou de Kanthal conduisant aux appareils de mesure .

Page 43: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

B IV

-35-

THER~·10GRAVl r1 ETR l E

Les variations de masse du sulfure de plomb

en poudre soumis à haute température à une pression par­

tielle de soufre sont suivies par thermogravimétrie à

l'aide d'une thermobalance UGINE-EYRAUD type B 60 reliée

au générateur de pression partielle de soufre (figure 9).

Le mélange gazeux issu du générateur est

introduit sous le four, en GD sur la figure.

Un gaz protecteur (azoté, mélange 95 %azote­

S % hydrogène ou hydrogène), introduit dans la partie

supérieure, s'oppose à la remontée de l'hydrogène sulfuré

dans la balance.

Les gaz sont évacués juste au-dessus du four.

Il est à noter que, par ce dispositif, le

débit de gaz protecteur n'influe pas sur l'atmosphère

au niveau de l'échantillon.

Page 44: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-36-

Sonde à pressionspartielles de soufre

Couple gainé

Préchauffage

Four laboratoire

Gaz provenant dugénérateur

(i': Gaz protecteur<

<

~--

,

>

FIGURE 9 Schéma du montage utilisé en thermogravimétrie

Page 45: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

B v

-37-

MESURE DES DENSITES

La contribution de lacunes d'éléments lourds,

tel le plomb, dans l'abaissement de la densité étant

particulièrement sensible, la mesure très précise de la

densité des différents échantillons de sulfure de plomb

a été un des moyens de déterminer la non-stoechiométrie.

La méthode utilisée est la picnométrie dans le

benzène.

Pour améliorer au maximum la précision des

mesures, nous avons procédé au dégazage sous vide de la

poudre de sulfure de plomb immergé dans le benzène, puis

au remplissage complet et mise à température en bain

thermostaté à 20°C ~ O,ioC. Pour chaque pesée en présence

de benzène, une courbe d'évolution de la masse en fonction

du temps a été tracée et extrapolée au temps t = 0

Soient

mi ~

1 m2~

m3

~

m4

~

masse du picnomètre vide

masse du picnomètre rempli de benzène (extrapolée à t = 0)

masse du picnomètre + sulfure de plomb

masse du picnomètre + sulfure de plomb + benzène en

complément (extrapolée à t = 0)

=

=

masse volumique du benzène à 20°C

Page 46: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

d'où

=

-33-

=

Un calcul d'incertitude montre que la masse

spécifique mesurée selon cette méthode est déterminée à

moins de 0,4 % près, soit, dans le cas de PbS où~. 7 50 -3,. d 0 ~~ -3 'pv , g. cm a mOlns e ,~)J g.cm pres.

A partir de la valeur mesurée de la masse

volumique et de la valeur du paramètre cristallin déter­

miné à partir du cliché de diffraction des rayons X,

nous pouvons en déduire le nombre statistique moyen de

motifs par maille.

Page 47: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

B VI

-39-

DIFFRACTION DES RAYONS X

Les clichés de diffraction des rayons X

par la poudre de sulfure de plomb ont été obtenus

avec une chambre Guinier-Nonius.

Le rayonnement monochromatique de longueur0

d'onde À = 1,5418 A est produit par un générateurCU Kà tube à an%icathode de cuivre associé à un monochromateur

à lame de quartz.

Page 48: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-40-

CHAPITRE C

RESULTATS EXPERIMENTAUX

-0-

Page 49: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-41-

RESULTATS EXPERIMENTAUX

Les propriétés physico-chimiques du sulfure de plomb

étudiées en fonction de la pression de soufre et de la tempéra­

ture sont les suivantes

1) la variation du système cristallin des produits trempés

à température et pressions de soufre différentes.

2) la conductivité électrique à haute température.

3) le coefficient de pouvoir thermoélectrique à haute

température.

4) les variations de l'écart à la stoechiométrie à haute

température.

5) la variation de la densité des produits trempés.

Le domaine de température et de pression de soufre exploré

est limité :

a) dans l'échelle des presmonsde soufre par la réaction

de réduction du sulfure de plomb à l'état de plomb métallique

pour les valeurs inférieures et par la pression de soufre cor­

respondant à la réaction de dissociation de H2S pour les valeurs

supérieures (figure 10).

b) dans l'échelle des températures par l'intervalle

(500°C, 900°C).

En effet, au-dessous de 500°C, comme le montrent les expé­

riences de refroidissement continu exposées plus loin, le sulfure

de plomb ne se met plus en équilibre avec la pression de soufre

qui l'entoure.

Au-dessus de 900°C la valeur du coefficient de diffusion

Page 50: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

900

800

500

600

700

,J,

1,,11

11

tt

1--- ----------1

-------. - "--. '- '--

--=-=~==:~-~::-~~==~-~--_::-':":':::====~-_.=='

---- -----_-0 _ __ 0_ ~ ---,

Ë===== -==]~~~~~~~~~~c~~~~-l~ ~o~-_-- -=--- -:-------- --- ,

/ ---------~-.. ,/.- -=~------~~~~----==___t

---_----1

l'_~--~-----~P~ S~--:=---~~0- - -- --- ----- --- --- -- --. __ -0- __n'

r __..'..__~ ~__-=~~=~-=--=~~====~ __._ ..__, ,(~----~=---_::~:----- --~~-=--=:---::_--~=~:~:-- ~-_-:- -'

~-:---~~--=---=--==~.~--.=--==--====~.- ,/ __. - _:_- __ n _ _-- ,

,--:-~----------- -.::-:-~_====~~-- -----------1. _-- __ 0 __---0---0_- ---- ------1L_ 0- ---- --0-0- --0- __ __ _ __ _ _

-----_.._-- ._--.-_. ---_...--- '--'-" -- ._-- . ---- ..-- .. ---.----.- ... --·~~-.~--·---o1

/0-- - 0_ 0_0 ~~_-~- - ï, - ==----=: ~-:--- -- ----------- -- -- =::=.1

oPb

400

-1 5 -10 -5

g. 10 Domaine de stabilité du sulfure de plomb

CD - limite du domaine de stabilité obtenue par les données thermodynamiques.

® - limite inférieure du domaine exploré correspondant aux plus faibles

Ps obtenues avec le générateur.2

CD - limite supérieure du domaine exploré associée à H2S

pur

La partie hachurée correspond au domaine exploré.

Page 51: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-43-

du Pb dans le PbS devient importante (le point de fusion du

PbS est de 11000C) et les fils de contact or ou alliage de

kanthal sont détruits par formation d'alliages fusibles. Ce

phénomène très sensible pour l'or au dessus de 700° est plus

lent pour l'alliage de kanthal.

De plus, dans la zone de température comprise entre 800°C

et 900°C, la sublimation du sulfure de plomb devient importante

d'après SCHENCK et ALBERS (17) et SCHENCK (18) les valeurs de

la tension de sublimation du sulfure de plomb sont de :

2,6.10- 3 at. = 2,0 mm Hg à 850°C

5,2.10-3 at. = 4,0 mm Hg à 917°C.

En outre, le départ de plomb métallique situé en position

interstitielle dans le sulfure de plomb de type n (phénomène

perceptible dès 500°, et que nous avons mis en évidence dans

les expériences de thermobalance décrites plus loin) devient

très important. C'est pour cela que la plupart des expériences

ont été effectuées à trois températures: 500°, 600°, 700°.

Dans quelques cas particuliers des mesures ont été f~ites

à 800° et 900° en tenant compte du départ important du sulfure

de plomb durant les expériences de mise en équilibre. Le

tableau nO II et la figure 10 indiquent les limites du

domaines de pression de soufre étudié entre 600° et 900°C.

PbSsol

à l'équilibre

Le domaine de stabilité du sulfure de plomb a été déterminé

à partir des données thermodynamiques de K SUDO (19)relative°

P~ + ~ S2llq g

avec Kp = PPb °P 1/2.

S2

log Kp 1 log Ps log Ps 2 log Kp (1)2

+ =2 2

Page 52: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-44-

TABLEAU II

Limites supérieures et inférieures du domaine des pressions de

soufre réalisées dans l'étude du sulfure de plomb.

limite supérieure

de la Ps : H2S2

limite inférieure

de la Ps2

de réduction

du PbS

-----------.--------------------:---------------------:--------------------

500° 10-2,55

600° 10-2,10

700° 10-1,75

800° 10-1,45

900° 10-1,25

10-10,95 10-12,7

10-9,55 10-10,3

10-8,30 10-8,3

10-6,9 10-6,9

10-5,4 10-5,4

Au dessus de 690°C le domaine de pression de soufre exploré est

limité par la réduction de PbS à l'état de Pbo.

Page 53: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

or ~G = -RT L Kn p

-45-

log Kp - -2,3RT

(II)

Les équations l et II entrainent que

=2 ~G

2,3RT

les différentes valeurs de ~G et de log10 Ps en fonction de la

température sont données dans le tableau nO 2 III.

C-I VARIATIONS DU PARAMETRE CRISTALLIN

Le sulfure de plomb cristallise dans le système cubique

à faces centrées, type NaCl. Sa maille contient 4 molécules. Le

cliché est donc très simple et les mesures des variations éven­

tuelles du paramètre de la maille élémentaire ont été effectuées

sur des clichés de poudre obtenus avec le rayonnement monochro­

matique Ka du cuivre dans une chambre Nonius. Les produits testés

aux rayons X ont été trempés à partir de composés en équilibre

entre 500° et 700°C avec des pressions de soufre très variables

comprises dans le domaine de stabilité.

Quelle que soit 'l'origine du produit (température et pression

de soufre) le paramètre reste sensiblement constant aux erreurs°de mesure près. La valeur de ce paramètre est de 5,92 A avec

2une incertitude inférieure à 1000. Le sulfure de plomb se com-

porte donc comme un composé pratiquement stoechiométrique puis­

que son paramètre reste constant.

Page 54: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

TABLEAU III

TO C . l'IG . log PS (atm). . 2

_________ ; Q~lIIDQ1~ :---------

527

627

727

827

927

22 200

20 200

18 300

16 400

14 600

12,18

9,86

8,04

6,54

5,37

Variations de la pression de soufre de l'équilibre de dissocia-

tion de PbS (PbS ~ Pb + 1/2 S2) en fonction de la température.

Page 55: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-47-

C-II VARIATIONS DE LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE A HAUTE TEMPERATURE

Les variations de la résistance électrique d'un barreau

de PbS sont suivies en fonction de la pression de soufre de 500 0

à goO°C.

Les contacts sont constitués de fil d'or de 5000 à 700 0C

et de fil de kanthal de diamètre égal à 0,5 mm à 800 0c et 9000C

ces fils sont enchassés dans le barreau au moment de leur COm­

pression par une presse isostatique pouvant atteindre 2000 bars.

Comme le sulfure de plomb est très peu résistant, dans

chaque cas, il faut soigneusement mesurer la résistance des fils

conducteurs en or ou en kanthal.

Pour les expériences au-dessous de 700 0C, le barreau de PbS

conserve très approximativement les dimensions initiales, obte­

nes après un frittage de 24 h à cette température. Ce sont

ces dimensions qui permettront de calculer la conductivité vraie

à partir de la résistance.

Pour les mesures à 800 0 et 9000, la perte en plomb ou en

sulfure de plomb devient très importante. Elle est due d'une

part à la tension de vapeur non négligeable du sulfure et d'autre

part au départ de plomb interstitiel qui se produit dans la zone

de conduction de type n.

En conséquence les dimensions du barreau et en particulier

la section diminuent rapidement en fonction du temps et il est

nécessaire de les déterminer après chaque point obtenu à l'équi­

libre.

Les résultats représentés dans

(variation de log a = f(log Ps ) et

montrent les points suivants :2

les figure lla et llb

variation de a = f(log Ps )2

Page 56: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-48-

log.U

" "

-10 -8

-

-6

-

-4

--

-2

---

log Ps10 2

1,0

0,5

Fi:~. 11 a Variations isothermes à 500°, 600°, 700° et 800°C de la conductivité

électrique du sulfure de plomb en fonction de la pression partielle de

soufre.

Page 57: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-49-

-1U(Dcm)

\\

\\

, ,

~--------

"

20

1 5

10

5

log P s10 2

-2-4-6-8-10,-----------------------"--------"""'----"--_......_-~J

,1Fig. 11bIl

Variations isothermes à 500°, 600°, 700°, et 800°C de la conductivité

électrique du sulfure de plomb en fonction de la pression partielle de' soufre

Page 58: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-50-

a) le sulfure de plomb est un semi-conducteur de type métal­

lique, dont la conductivité est comprise à ces températures entre

5 ~-1cm-1 et 20 ~-1 cm- 1.

b) les courbes à 500° et 600° présentent un minimum très

aplati caractéristique d'une transition n-p.

c) les courbes isothermes entre 500 et 900°C montrent que

la théorie de KROGER et VINK (13) applicable aux composés présen­

tant un faible écart à la stoechiométrie n'est pas vérifiée.

En effet, suivant cette théorie, la conductivité cr serait propor­

tionnelle à Ps 1/m avec Iml = 4 ou Iml = 6 suivant la nature

des défauts en2présence. Or, les valeurs du coefficient m dans

le domaine de type n sont toujours très grandes et comprises

entre -8 et -20. De. toutes façons, les courbes obtenues ne sont

pas assimilables à des droites.

Le caractère semi-métallique du PbS est tout à fait en accord

avec la non validité de la théorie de KROGER et VINK.

D'après la théorie de RASNEUR (8) nous sommes donc en présen­

ce d'un composé à forte non-stoechiométrie par rapport au composé

théorique PtS.

d) Au fur et à mesure que la température s'élève la conduc­

tivité augmente. Mais les courbes de variations isothermes n'étant

pas parallèles entre elles, il n'est pas possible de définir

avec rigueur une énergie d'activation de conduction pour le sul­

fure de plomb.

C- III VARIATIONS DU COEFFICIENT DE POUVOIR THERMOELECTRIQUE A

HAUTE TEMPERATURE.

Les variations isothermes du coefficient de pouvoir

Page 59: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-51-

thermoélectrique en fonction de la pression de soufre sont

beaucoup plus significatives que celles de la conductivité

électronique. La transition n-p déjà mise en évidence par le

minimum des courbes des figures lla et llb à 500° C et 600°C

est très facile à repérer avec précision dans l'échelle des

pressions de soufre car en ce point l'effet SEEBECK devient nul

et change de signe.

Les variations du coefficient de pouvoir thermoélectrique

Q sont représentées sur la figure 12 entre 500° et 900°.

Dans la figure 13 nous avons tracé à 600°, les variations

de la conductivité cr et du pouvoir thermoélectrique Q en fonction

de la pression de soufre pour bien montrer la coincidence du

minimum de la conductivité avec la valeur zéro du pouvoir

thermoélectrique.

Les valeurs de Q sont grandes puisqu'à 500°, ce coefficient

varie de + 200~V/oC dans la zone p à - 450 ~V/oC dans la zone n.

Comme dans le cas de la conductivité électrique où la théo­

rie de KROGER et VINK (13) ne s'applique pas, la loi de

HOGARTH (12)

kQ = - em 2,3

n'est pas vérifiée.

log10 Ps + ete.2

Au-dessus de 600 o c , les pressions de soufre qui correspondent

à la transition n-p seraient obtenues dans une atmosphère plus

riche en soufre que celle qui existe dans H2S

pur.

Page 60: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-52-

-400zone p-

zone n

+200

5000 elog PS

2100

-10 ~8 -6

,~

-200

. 12 Variations isothermes à 5000, 600°, 700°, 8cooc du coefficient de

pouvoir thermoélectriqu.e du sulfure de plomb en fonction de la

pression partielle de soufre.

Page 61: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-53-

QCPYC)+200

-10

--

",

-8 -6 -2 log Ps10 2

-1ŒCQcm)

o

- 200

1 5

Î

10

5

-10 -8 -6 -4 -2 l Og Ps10 2

Fig. ~ 3 Variations isothermes à 600°C de la conductivité électrique cr et du coefficient

de pouvoir thermoélectrique Q du sulfure de plomb en fonction de la pression

partielle de soufre

au minimum de cr ) Q s'annule

Page 62: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

C - 1V

-54-

EVOLUTION DE LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE ET DU COEFFICIENl

DE POUVOIR THERMOELECTRIQUE AU COURS DIUN REFRDISISSE­

~·1ENT CONTINU.

Nous avons suivi à partir de 700° le refroidissement

lent du PbS en conservant un rapport

constant, en observant un pallier de mise en

équilibre tous les 100 degrés (600°, 500°, 400° ... , température

ordinaire) .

Les résultats représentés dans les figures 14a et 14b mon­

trent qu'au -dessous de 450° le sulfure de plomb même poreux ne

se met plus totalement én équilibre avec la pression de soufre.

A partir de la température ordinaire la conductivité du PbS

croit, passe par un maximum vers 250°, puis décroît jusqu'à

450° pour de nouveau augmenter par suite de la mise en équilibre

avec une pression de soufre déterminée.

Ce comportement inhabituel de la variation de la conductivité

avec la température s'explique facilement en analysant les

différents facteurs qui interviennent dans l'échelle croissante

des températures. (fig. 15).

a) dans l'intervalle (température ordinaire, 250°) seule

intervient la température) et l'augmentation de a correspond

à celle d'un composé semi-conducteur de composition constante.

b) Au-dessus de 450°, le sulfure de plomb se met réellement

en équilibre avec la température et la pression de soufre. La

conductivité croît avec la température mais les défauts de struc­

tu~e sont différents de ceux qui existent à basse température.

D'oa un décalage de la valeur de a (250°) avec celle de a (450°).

Page 63: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-55-

_1(J'( Dem)

11

o

1

5

1

iO1

Î

1

200 400 600

•Fig. 14a Evolution de la conductivité électrique du sulfure de plomb en fonction de la

température au cours d'un refroidissement continu de 700°C à la température

ambiante.

Page 64: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

100

:00

~ 00

iOO

1

100

,

-56-

fig. 14b Evolution du coefficient de pouvoir thermoélectrique du sulfure de plomb,

au cours d'un refroidissement continu de 700°C à la température ambiante.

Page 65: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

_1ŒC Qem)

-57-

5

o

5

o

5

Influence de T

200

1

1

1

1

1

1

1

1

1

a.-..

Influence de T et

partiellement de PS2

400

Influence de T et de Ps2

600

,/

Fig. 15 Evolution de la conductivité du sulfure de plomb en fonction de la températurerefroidissement continu de 700°C à température ordinaire.

Page 66: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-53-

c) Dans l'intervalle (250°, 450 0C), la pression de soufre•commence à intervenir et son influence est de plus en plus grande

au fur et à mesure que la température augmente. La courbe de

variation de la conductivité en fonction de la température est

donc intermédiaire entre les courbes l et II de la figure 15,

respectivement extrapolées par prolongement : de la courbe obte­

nue à une température inférieure à 250°C, et de celle obtenue

à une température supérieure à 450°C.

Ce phénomène permet d'expliquer la diminution de la conduc­

tivité du sulfure de plomb avec la température, dans le domaine

compris entre 250°C et 450°C.

C - V VARIATIONS DE L'ECART A LA STOECHIOMETRIE

L'étude des variations de la composition chimique en

fonction de la pression de soufre a été effectuée par thermogra­

vimétrie à 500°, 700° et 800 0 e . (fi3ure 9).

Deux résultats essentiels ont été observés

a) la variation de poids est nulle Cà la limite de la sen­

sibilité de l'appareil 6m < 10- 3 ) aux trois températuresmconsidérées dans tout le domaine de pression de soufre exploré ;

c'est à dire que le rapport p; reste constant dans tout ce do­

maine.

b) dans la zone de type n, à partir de 500°, nous avons

observé une lente perte de poids en fonction du temps qui est

due à un départ de plomb placé en position interstitielle.

L'importance de ce phénomène uniquement perceptible dans la

zone de type n augmente avec la température.

Page 67: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-59-

De nombreux travaux antérieurs effectués au laboratoire (20)

ont démontré que cette perte de poids dans un composé de type n

est caractéristique de la présence d'ions métalliques

en position interstitielle (voir en particulier les études sur

MnO (20).

Il n'a pas été possible de repérer la composition globale

du sulfure de plomb par rapport à une référence pondérale. En

effet deux méthodes ont été envisagées :

a) Pal' réduction

La référence choisie est le métal. Cette solution est

à écarter car aux températures 500°C, 700°C et 800°C,

l'expérience est difficile à réaliser par suite de la facile

fusibilité du plomb.

b) Par oxydation

Les produits obtenus par oxydation du sulfure de plomb

sont complexes et sont constitués d'un mélange d'oxydes et de

sulfates basiques de Pb de composition variable.

Les mesures à la thermobalance ont montré que le rapportS t (6rn - 3 ) . t·Pb reste constan In <10 malS elles ne nous on pas permls

de définir un éventuel écart global à la stoechiométrie par rapport

à la formule théorique Pb 1S 1. Cet écart sera calculé par la

mesure de densité.

C - VI DENSITE

Les mesures de densité effectuées suivant les techni­

ques décrites précédemment ont été réalisées sur des échantillons

de sulfure de plomb trempé. Nous avons opé~é sur du PbS présen­

tant théoriquement le maximum des différentes sortes de défauts

et réalisables par notre dispositif expérimental.

Page 68: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-60-

- PbS de type n préparé à 500°, 600°, 700°C à la limite

de la pression de soufre de réduction.

- PbS de type p préparé à 500°, 600° dans H2S.- PbS à 500 0 et à 600 0 à la transition n + p.

Deux résultats importants ont été observés :

a) la densité expérimentale est constante quelle que soit

l'origine du produit trempé. Ce qui confirme nos résultats de

thermobalance.

b) la densité trouvée est de 7,47 + 0,03. Elle est inférieure

à la densité théorique. La densité théorique de Pb 1S 1 calculée

à partir de la maille cubique à faces centrées de paramètreo

a = 5,92 A serait de

d = m =V

(207 + 32) H

( ) 3 6 23 (10-8)35,92 ..02.10.

= 7,65

Cette grande différence entre la valeur théorique et la

valeur expérimentale montre que le sulfure de plomb présente

- soit un déficit en plomb

- soit un déficit en soufre

- soit des déficits en plomb et en soufre.

Sa formule générale pourrait s'écrire:

Pb 1 Si en tenant compte uniquement des résultats de la-x -ydensité. Les valeurs respectives de x et y seront précisées

lors de l'interprétation des résultats expérimentaux.

Page 69: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-61-

CHAPITRE 0

INTERPRETATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX

-0-

Page 70: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

INTERPRETATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX

Nous allons déterminer la répartition des défauts de struc­

ture du sulfure de plomb pur en considérant successivement les

propriétés physico-chimiques de ce composé déterminées au

chapître précédent.

Le sulfure de plomb possède

- un paramètre de la maille élémentaire constant égal ào

5,92 A.

- une conductivité électrique grande à toute température.

C'est un semi-conducteur de type métallique présentant une tran­

sition n - p.

un coefficient de pouvoir thermoélectrique caractéristique

d'une transition n-p en fonction de la température et de la

pression de soufre. A la transitionn-p correspond un minimum

de la courbe de variation de conductivité et un zéro de l'effet

SEEBECK.

- un rapport P~ pratiquement constant en fonction des deux

facteurs de l'équilibre: température et pression de soufre.

- une densité expérimentale égale 7,47 très inférieure à

la densité théorique 7,65 ; ce qui indique un déficit en Pb,

ou en S, par rapport au composé théorique: Pb 1S 1 .

Dans un premier temps nous allons déterminer la répartition

des défallts de structure du sulfure de plomb, correspondant â

la transition n-p, schématisée par (PbS) .n-p

- A la transition type p - type n d'après la théorie de

RASNEUR (8) la concentration en défauts de type p est égale à la

Page 71: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-bj-

concentration des défauts de type n. A ce moment la formule dé­

finie par les mesures de densité précédemment écrite

Pb 1 S1 se simplifie avec x = y = 0,03 pour tenir compte de-x -y

la différence entre la densité expérimentale et la densité théo-

rique.

Donc (PbS) sera représenté par la formulen-p

pb2+. 0,97 o 0,03

2­SO,97 [;81 0,03

en représentant par

o une lacune en ion Pb 2+

une lacune en ion S2-

- pour le sulfure de plomb de type p représenté par

(PbS) , le composé présente un léger excédent de lacunes en ions2+ p

Pb par rapport à la formule PbO,97S0,97'

Il sera représenté par

2+ D 2-Pb O,97-s 0,03+s 3 0 , 9 7 ~ 0,03

avec s<10- 3puisque les expériences de thermobalance qui ont donné

6m = 0 sont réalisées avec une incertitude ~m < 10-3m

- Pour le sulfure de plomb de type. n, la prépondérance

des défauts n par rapport aux défauts p provient de la présence

d'ions plomb placés en position interstitielle.

La répartitio0 la plus simple en défauts pour ce sulfure

de plomb de type n sera

2+

Pb 0,9 7 \~ 0,°3

2-

SO,97 L8J 0,03

Page 72: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-G4-

avec ( Pb2+)i désignant l'ion plomb en position interstitielle.

et E < 10- 3 pour tenir compte des résultats de la thermo­

balance.

Cette représentation permet d'expliquer tous les phénomènes

décrits jusqu'à présent:

a) type p

b) type n

c) transition n-p

d) caractère semi-métallique du sulfure de plomb

En effet, le sulfure de plomb appartient à la catégorie 4de la classification de RASNEUR (8). Il présente un large

écart constant de stoechiométrie par rapport à la formule idéale

Pb 1S 1. C'est pourquoi la loi de variation de la conductivité cr

et du coefficient de pouvoir thermoélectrique Q ne suivent ni

la loi de KROGER et VINK ni celle de HOGARTH.

e) la constance du paramètre puisque la non-stoechiométrie E

soit dans le type p, soit dans le type n, est inférieure à 10-3 .

Remarque :

Dans la répartition des défauts du sulfure de plomb de type

p et de type n décrite précédemment, nous n'avons pas respecté

la neutralité électrique des composés par soucis de simplifica­

tion.

En tenant compte du fait que chaque type de sulfure de plomb

doit être neutre au point de vue électrique.

a) le type p est représenté par une formule un peu plus

complexe, car une très faible partie des ions Pb 2+ s'est trans-

Page 73: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-65-

formée en ion Pb4+.

Cette formule s'écrit

2+Pb O,97-2E o 0,03-E

2­SO,97 0,03

sites normaux

'----------.,"i~-----I

sites normaux

b) pour le PbS de type n, la condition de neutralité

électrique se traduit par la présence de E électrons libres.

La formule la plus représentative du PbS de type n sera :

'--- -----.,y_----J

2+Pb O,97 D 0,03

'--__y__-J

2­SO,97 ~ 0,03

{

positionnormale

positioninterstitielle

positionnormale

Page 74: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-66-

CHAPITRE E

ETUDE DU SULFURE DE PLOMB

DOPE PAR UN METAL

-0-

Page 75: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-67-

I - INFLUENCE DU DOPAGE DE PbS Pft.R UN AUTRE r1ET.L\L

L'étude systématique de l'influence d'un élément d'addition

sur les propriétés électriques du sulfure de plomb n'a fait l'ob­

jet que d'un nombre très restreint de publications. BLOEM en

1955 (7) a montré que les ions Ag+ augmentaient l'étendue

du domaine de semi-conduction -p, tandis que les ions Bi 3+ favo­

riseraient le domaine de type n.

ABDULLAEV, ZULIEV, et KAKBRAMANOV (21), en 1967 ont étudié

l , · fl A + N + C + A13+. In3+.ln uence de l'addition des ions: g, a, u, , ,3+ +Ga , Tl sur la valeur de la conductivité de PbS à différentes

températures. Malheureusement cet auteur néglige complètement

l'influence de la pression de soufre d'équilibre. Les échantil­

lons dopés sont préparés par voie solide en tube scellé sans

se soucier de la pression de soufre.

Nous allons étudier l'influence de quelques ions

d'addition:

ions monovalents Cu+

et Tl+

ions bivalents Zn2+

ions trivalents Cr 3+ et Bi 3+

Les ions ont été choisis en raison de la valeur de leur

rayon ionique par rapport à celui de Pb2++ 2+ 3+

Cu , Zn , Cr ont un rayon ionique inférieur à celui dePb2+ tandis que Tl+ et 8i 3+ ont un rayon ionique supérieur ou

ébal à celui de Pb 2+ (voir tableau nO IV).

La concentration en métal ajouté au sulfure sera toujours

faible. Le métal dopant forme avec le sulfure de plomb, sous

une pression de soufre donnée une solution solide ayant même

Page 76: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-68-

TABLEJ'..U 1V

0

Nature de l'ion rayons ioniques en A

Cr 3+ 0,63

Zn 2+0,74

Cu+0,96

Bi 3+ 1,20

Pb2+ 1,20

Tl+ 1,40

S2- 1,84

rayons ioniques des éléments aux degrés

d'oxydation rencontrés dans ce mémoire

Page 77: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-69 -

structure que le composé de départ.

A l'intérieur du réseau cristallin du sulfure de plomb pur,

le métal dopant occupera une position interstitielle ou un

site réservé habituellement à un atome de plomb.

Lorsque le rayon ionique de l'élément d'addition sera faible

d t 1 · d Pb 2+ . t· d l - . t 11·evan ce Ul e son lnser lon ans e reseau crlS a ln

sera favorisé. Par contre, lorsque les rayons ioniques seront

du même ordre de grandeur, la substitution d'un atome dopant

à un atome de plomb sera plus probable que l'insertion.

Page 78: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-70-

II - PREPARATION DES PRODUITS DOPES

Dans un échantillon de sulfure de plomb, on dépose l'élé­

ment dopant sous forme de nitrate en solution. Cette solution

de nitrate est évaporée lentement de telle manière que chaque

grain de PbS se recouvre uniformément d'une mince pellicule de

nitrate de l'élément dopant.

Le mélange obtenu est ensuite porté à 700°C sous une pression

de soufre adéquate, pour, d'une part; réduire à l'état de

sulfure l'élément dopant et assurer d'autre part, la diffusion

des 2 sulfures l'un dans l'autre jusqu'à obtention d'une solution

solide.

III - VARIATIONS DE LA CONDUCTIVITE ELECTRIQUE DU SULFURE DE

PLOMB DOPE EN FONCTION DE LA PRESSION DE SOUFRE ET DE

LA TEMPERATURE.

Nous avons dopé le sulfure de plomb avec du cuivre sous

forme de CUS0 4 5 H20 . Le rapport cu22+

étant égal à 1 % en pour-- Pb +

centace molaire et non pondéral.

Ln figure 16 représente les variations isothermes de la

conductivité électrique de PbS dopé à 1 % de cuivre, en fonction

de la pression de soufre.

Page 79: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-71-

-1Œ( Defi)

\

\\

1 5

10

5

- 10 -8 -6 -4 -2log Ps

10 2

Fig. 16 Variations isothermes à 5000, 6000

, 70ü°C de la conductivité électrique

du sulfure de plomb dopé à 1% de Cu+ en fonction de la pression partielle

de soufre.

Page 80: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-72-

Le tableau n05 donne quelques valeurs de la conductivité

électrique cr en fonction de la PS 2 à 500°, 600° et 700°C.

Nous observons que par rapport au PbS pur, les variations

de la conductivité électrique autour du minimum sont plus

accentuées.

Cependant, la loi de KROGSR et VINK (pente avec m = 4 autour

du minimum) n'est vérifiée à aucun moment. Les courbes isother­

mes de conductivité sont alors représentées en fonction de cr

et non de log cr.

Nous avons réalisé le dopage du sulfure de

du zinc sous forme de Zn (N03)2'

6 H20. Le rapport

étant successivement égal à 1% et 0,6 %. Les

pourcentages étant molaires et non pondéraux.

plombZn2+

Pb 2+

avec

La figure 17 représente les variations isothermes de la

conductivité électrique en fonction de la pression de soufre.

Elle montre que les variations de la conductivité électrique

sont liées au pourcentage de dopant ajouté au PbS pur. Ainsi,

les pentes des courbes obtenues sont plus fortes lorsque le

sulfure de plomb est dopé à 1 % de Zn qu'à 0,6 % de Zn. De plus,

l'introduction de dopant augmente les valeurs de la conductivité

électrique.

Dans le tableau nO 6 nous avons relevé quelques valeurs

de la conductivité électrique cr en fonction de la pression de

soufre à 500°, 600° et 700°C.

Ici, aussi, la loi de KEOGER et VINK n'est pas vérifiée.

Page 81: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-73-

TABLEAU V

1.. TOC )( : 500 : 600 : 700 )(logP S : : : )( Z : : : )( )( 2,55 9 7,6 7,2 )

)( 4 8,5 6,4 8,7 )( )( 5,5 7,4 8,8 14,5 )( )( 7,3 5,1 14,6 )( )( 9,0 6,8 )( )( 10,95 11,8 )( ),( )

Variations isothermes à 500°, 600° et 700°C de la conductivité

( -1 -1)électrique en ~ cm du PbS dopé

de la pression partielle de soufre.

+à 1% de Cu , en fonction

Page 82: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-1 0 -8

(a)

-6

- ( LI-

-4

.--

-2

..

-1Œ( .Qcm)

log Ps10 2

25

20

1 5

10

5

Fig.' 17 Variations isothermes à 500°, 600° et 700° C de la conductivité

électrique du sulfure de plomb dopé : (a) à 1% de zn2+, (b) à 0,6%2+

de Zn , en fonction de la pression partielle de soufre.

Page 83: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-75-

TABLEAU VI

5

6,3

3,9

5,2

4,8

5,4

4

2,9

3,1

8,1

5,6

7,416,8

13,1

14,8

8,9

10,1

14,2

15,7

13,7

18,1

13,2

11,4

21

18,3

23,7

24,6

26,7

10,95

8,5

2,55

7,3

5,8

5,0

9,5

2+ )% Zn 1 % 0,6 % )

-----------:------------------------------------------------------------)

~TO C ~ 500 ~ 600 ~ 700 ~ ~ 500 ~ 600 ~ 700 j

g S " " " " " " " )2 " " " " " " "-----------"---------:---------:---------: :---------:---------:---------)

" " )9,6 6,6 5,3)

)))))))))))))

riations isothermes à 500 0, 600 0 et 700 0C de la conductivité électrique

-1 -1) d P S d' '1 ~ t 0 6 ~ d 7 2+ f . d ln Sl cm u b ope: a ,0 e , ,0 e ~n , en on c t Lon e a

-es s i.o n partielle de soufre

Page 84: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-76-

Nous avons mélangé du Cr2(S04)3' 8+H 20 â PbS pur dans

d l Cr 3 . ~ 1.... %es proportions telles que e rapport ~ SOlt ega a 1

puis 2 %. Les pourcentages indiqués Pb

étant molaires et non pondéraux.

La figure 18 représente les variations isothermes de la

conductivité électrique en fonction de la pression de soufre.

L'ion Cr 3+ ne modifie pas sensiblement la valeur de la

conductivité électrique. Les courbes obtenues ressemblent â

celles du sulfure de plomb pur, avec cependant une augmentation

du domaine p.

Quelques valeurs de la conductivité électrique du PbS dopé

â 1 % et 2 % de Cr 3+ sont indiqués dans le tableau nO 7.

Nous avons

proportions telles

dopé du T1 2 Co3

dansTl+

que le rapport ---­Pb2+

du PbS pur dans des

soit égal â 1 %.

La figure 19 représente les variations isothermes de la

conductivité électrique en fonction de la pression de soufre.

Dans le tableau nO 8, nous avons relevé quelques valeurs

de la conductivité électrique cr en fonction de la pression de

soufre â 500°, 600° et 700°C.

Page 85: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-7'( -

\(a) -1

Œ(Qcm)

\\

-...

-

1 5

1 0

-- --,6000

(,"" --

log PS2

5

10

-8 -6 -4 '-2-10

log PS2

5

10

-10 -8 -6 -4 -2

(b) -1Œ(Qcm)

-,

1 0

\\

Fig. 18: Variations isothermes à 500°, 6000 et 7000 C de la conductivité

électrique du sulfure de plomb dopé: (a) à 1% de er3+; (b) à 2% de cr3+,

en fonction de la pression partielle de soufre.

Page 86: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-78-

TABLEAU VII

9,3

10~6

6

4,7

4,5

5

5,6

4~3

7,4

7,7

6~4

9~8

14,1

17~8

7,3

8,2

7,3

12

7

6

5~3

9,3

5,2

10,95

2~55

8,5

7,3

5~0

5~8

9,5

3+'''· )%Cr: 1 % : 2 %""-' )

------------.----------------------------------------- --- - - --~~--- - - - - -- - )TOC:' )

500 600 700.. 500 600 700')ogps2 . . )-----------_._--------:---------:---------: :---------:---------:---------). . )

.. 8~4 5~6 8,1))))))))))))))

'ariations isothermes à 500 0, 600 0 et 700 0 C de la conductivité électrique

1-1 -1) ."., t1f '% 3+en n cm du PbS dope a 1 ~ et a 2 0 de Cr en fonction de la pression

1

lartielle de soufre.

Page 87: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-79-

_1Œ(ilcm)

1 0

5

- 11 -9 -7 -5 -3 log PS2tO

ig. 19 Variations isothermes à 500°C, 600° et 7ÜO°C de la conductivité électrique du

sulfure de plomb dopé à 1% de Tl+ en fonction de la pression partielle

de soufre.

Page 88: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

·-80-

TABLEAU VIII

TOC )(logP : 500 : ·600 : 700 )(32 : : : )(--------------_._---------:----------:----------)( )(2,55 9,7 7,6 7,4)( )(5,0 7,6 5,3 6,2)( )(5,8. 7,2 4,7 6,9)( )(7,3 5,2 4,6 )( )( - 8,5 3,4 5,4 )( )(-9,5 3,2 )( )( - 10,95 4,9 )( )

Variations isothermes à 500°, 600° et 700°C de la conductivité

~ l t· ( ,,-1 cm- 1) -, % + . de ec rlque en~" du PbS dope a 10 de Tl en fonctlon e

la pression de soufre.

Page 89: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

Les isothermes à 500° et 600°C montrent que la conductivité

éléctrique est plus forte que celle de PbS pur vers les fortes

pressions de soufre, tandis qu'elle est plus petite vers les

f2ibles pressions de soufre.

Par contre, à 700°C elle est moins élevée dans tout le

domaine de pression de soufre étudié.

Nous avons réalisé le dopage du sulfure de plomb avec

du bismuth sous forme de Bi(N0 3) 3 ' 5 H20. Le rapport Bi;: étant

successivement égal à 1 %, 0,5 %et 0,1 % en pourcentK~es

molaires et non pondéraux.

Le sulfure de bismuth fond vers 650°C, aussi, avons-nous

limité nos expériences à 500° et 600°C.

La figure 20 représente les variations isothermes de la

conductivité électrique en fonction de la pression de soufre.

Elle montre que l'addition de bismuth augmente nettement la

conductivité. Cette augmentation étant beaucoup plus marquée

que celle de tous les autres dopants utilisés.

Nous avons relevé dans le tableau nO 9 quelques valeurs

de la conductivité électrique en fonction de la pression de soufre

à 500° et 600°C.

Il est à noter que les courbes isothermes de conductivité

ne présentent pas de minimum : ce minimum serait situé dans la

zone de forte pression en soufre. (PS2>1).

Page 90: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-82-

_1

a (.Qcm)

"

50

1 50

'100

-

,", "-

" " ,,600o~ ", \

@ {?)\ \

\ '­\ ,

\ \\ '500°C,~ \

\

,'\.

- 11 -9 -7 -5 - 3 log PS210

~. 20 Variations isothermes à 500° et 600°C de la conductivité électrique du sulfure

de plomb dopé :

CD à 0,1 % de Bi 3+

® à 0,5 % de Bi 3+G) à 1 % de Bi 3+

en fonction de la pression partielle de soufre.

Page 91: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-33-

TABLEAU IX

( )( % Bi 0,5 . 1 )( ---------:--------------------~-------------------)( T O C : . . )(logP 500 600. . 500 : 600 )( S2: : :: : )(---------- ---------:---------: :---------:---------)( . . )

( - 2,55 56 42.. 87 48)( . . )( . . )

(5 116 103· . 114 87)( . . )( . . )( . . )( - 6,8 140 130 128 104 )

. . )

èJariations isothermes à 500° et 600°C de la conductivité électri-

( -1 -1) ~ , % '1ue en ~ cm du Pb~ dope a 0,5 puis a 1 % de Bi, en fonction

je la Ps et de la température.2

Page 92: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-24-

IV - VARIATIONS DU COEFFICIENT DE POUVOIR THERMOELECTRIQUE

DU SULFURE DE PLOMB DOPE EN FONCTION DE LA PRESSION

DE SOUFRE ET DE LA TEMPERATURE.

Les éléments d'addition tels que: cu+, Tl+, Zn2+, et Cr 3+

provoquent un déplacement de la transition n - p vers les

faibles pressions de soufre. En d'autres termes il se produit

une augmentation du domaine p. Ce phénomène est plus important2+lorsqu'on dope avec Zn .

Nous avons observé que le déplacement de la transition

p - n croit avec l'augmentation du pourcentage de dopant.

La figure 21 rend compte du déplacement de la transition

n - p en fonction de la pression de soufre et de la température

pour ces éléments qui augmentent l'étendue de la zone p.

De tous les dopants utilisés, seul le bismuth, provoque

un déplacement de la transition p - n vers les fortes pressions de

soufre. Il en résulte une augmentation du domaine n. Ce phénomène, - 3+ .... p 2+s observe meme lorsque le pourcentage de Bi par rapport a b

est de 0,1 %.

Nous avons représenté sur les figures 22 à 28 les

variations du coefficient de pouvoir thermoélectrique du sulfure.... + 2+ .. 2+

de plomb dopé 8.: 1% de Cu ; 1 % de Zn ; 0,6 % de Zn ; 1 % de

Cr 3+ ; 2 % de Cr 3+ ; 1 % de Tl+ ; 0,1 % de Bi 3+ ; 0,5 % de Bi 3+.

Lorsque le s~*fure de plomb est dopé avec du bismuth et

que le rapport Bi 2+ est égal à 0,5% puis 1%, nous avons observé

la même variatibR du pouvoir thermoélectrique en fonction de

la pression de soufre à 500°C puis à 600°C.

Ce phénomène confirme que la solubilité de Bi 3+ est comprise

entre 0,1 et 0,5 %.

Page 93: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-85-

CD 1% de Zn2+

® 2+0,6% de Zn

Q) 2% de er3+

® 1% de Tl+

0) 1% de er3+ TOC® 1% de eu+

(j) PbS

Il, • 700,.

600

500

-10 -8 -6 -4 -2

Fig. 21 Déplacement de la transition n - p du coefficient de pouvoir thermoélectri­

que en fonction de la pression de soufre et de la température.

- Cr3+, Cu+, Tl+, Zn2+ provoquent un déplacement de la transition n - p

vers les faibles pressions de soufre.

Page 94: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-10

/

-86-

1... /

log PS2

10

+600

+400

+200

-200

-400

-600

-800

Fig. 22 Variations isothermes à 500°, 600°, et 700°C du coefficient de pouvoir

thermoélectrique du sulfure de plomb dopé à 1% de Cu+, en fonction de la pres­

sion partielle de soufre.

Page 95: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-87-

,

+400

+200

olog PS

210

-200

-400

Fig. 23 Variations isothermes à 5000 , 6000 et 70ü°C du coefficient de pouvoir thermo­

électrique du sulfure de plomb dopé à 1% de Zn2+ en fonction de la pression

partielle de soufre.

Page 96: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-83-

+800

...............

o

+400

+ 200

+600

- 200

-400

log PS210

--

~-----.._-

"/

-8

,/

11

/

- 600

Fig. 24 Variations isothermes à 500°, 600° et 700°C du coefficient de pouvoir

therrrDélectrique du sulfure de plomb dopé à 0,6% de Zn2+ en fonction

de la pression partielle de soufre.

Page 97: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

(a)

log PS210

+200

o

-200

-400

Fig. 25

(b )

-2

/ /",.,..

Variations ü::otherrnes à 500 0, 600 0

, et 700°C du coefficient de pouvoir

thermoélectrique, dL:. sulfure de plomb dopé

() '0/ 3+a ~ 1 10 de Cr3+(b) a 2% de Cr

en fonction de la pression partielle de soufre.

+200

o

-200

-400

Page 98: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-90-

o

-200

-

log P 8210

-3

----..- +200

FIg. ?6 Variations isoti:é:t'm.es Ji 500°, 600°, 7CXPC du coefficient de pouvoir

thermoélectrique du sulfure de plomb dopé à 1% de Tl+ en fonction de

la pression part.Ielle de soufre.

Page 99: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-91­

( a )

-10 - 8 -6 -4 -2 log PSZ10

o

--. •

•._---- .....

-200

-400

( b )

-10 -80

-6 -4 -2 log PSZ10

--• SOOo( -200• .

•600o(

-400

Fig. 27 Variations isothermes à 500°, et 600°C du coefficient de pouvoir thermo­

électrique du sulfure de plomb dopé :

Ca) à 0,5% de Bi3+

Cb) à 1% de Bi 3+

en fonction de la pression partielle de soufre.

Page 100: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-92­

( a )

-10 -8 -6 -4 -2 log P S210

o

............500°C .

.

• • •

-200

-400

o

-200

log PS10 2

-2-4

-- - - - :--- -.. =----::-

---

-6

- 7- -•-e-

-8

•- - -----

-10

'::t_ CDrv- -e_\.V - - -

-400

Fig. 28 a) Variations isothermes à 500° et 600°C du coefficient de pouvoir ther­

moélectrique du sulfure de plomb dopé à 0,1% de Bi3+ en fonction de

la pression partielle de soufre.

b) Variations isothermes à 50ü°C du coefficient "de pouvoir thermoélectri-

que du sulfure de plomb dopé

CD à 1% de Bi3+@ à 0,5% de Bi3+Cl) à 0,1% de Bi3+

en fonction de la pression partielle de soufre.

Page 101: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-93-

Ce résultat montre que la présence de Bi 3+ augmenœ consi­

dérablement l'étendue de la zone de semi-conduction de type n.

De plus, les courbes de variations isothermes de la conductivité;:+

sont presque identiques pour les additions à 0,5 %et 1 % de Bi~ .

L~identité de ces résultats montre que la solubilité de

Bi 3+ de rayon ionique 1,20 A et égal à celui de Pb 2+ est comprise

entre 0,1 % et 0,5 %.

Page 102: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-94-

v - CONCLUSIONS ET INTERPRETATION DES RESULTATS

Le classement des éléments dopants peut s'effectuer de deux

manières différentes suivant le résultat recherché en pratique

a) obtenir une semi-conduction de type n ou une semi-con­

duction de type p possédant un effet Seebeck déterminé. En

général le plus grand possible.

b) réaliser un échantillon ayant la plus grande conducti­

vité possible.

Les éléments qui favorisent la semi-conduction de type

p sont les suivants :

C + rf11+ C 3+ Z 2+ . . 2+.u , ~ , r , n . Par-ma ceux-cl, c'est Zn qui

est le plus efficace. (voir figure 21).

Seul l'ion Bi 3+ favorise l'augmentation de la zone n. C'est

un élément extrêmement actif puisqu'il agit à des concentrations

très faibles de l'ordre de 10- 3 .

Les éléments qui favorisent li zone de serni-conduction

de type p n'augmentent pas de façon considérable la conductivité

du PbS dopé. Cette conductivité dépend d'ailleurs essentiellement

de la température et de la pression de soufre. Par contre, le

bisnuth, même à dose très faible a une douole influence : il

Page 103: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

Cr 3+ )

dans

sites

-95-

augmente à la fois la conductivit~ et l'étendue du domaine de

serni-conduction n. La conductivité est, tout au moins dans la

zone n explorée dans cette étude, multipliée par un facteur 10.

Nous allons interpréter les résultats précédents en

considérant la formule développée du PbS pur qui s'écrit:

- pour le type p

Pb2+ 0 r~0,03 CE < 10-3)

0,97-[ 0,03+E SO,97

- pour le type p

2+ o 0,03CPb2+)i 2-

~O,03 CE < 10-3)PbO,97 SO,97E

/ / C + ml+ 2+Les clements favorisant la zone p Cu, ~ , Zn ,

doivent se placer dans le réseau de PbS par substitution2+ .

les sites occupés par Pb , en retardant l'occupation de

interstitiels par l'ion Pb 2+.

Au contraire, l'ion Bi 3+ qui favorise le type n, facilite

la présence de l'ion Pb 2+ en position interstitielle.

Page 104: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-96-

CONCLUSIONS

Page 105: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-97-

Nous avons étudié les propriétés physico-chimiques du sulfur6

de plomb dans l'intervalle de température: 500ee, gooee pour

des pressions de soufre comprises entre 10-10,40 et 10-1,25 atm.

Les principaux résultats obtenus sont les suivants

1) sur du FbS trempé à partir de composés en équilibre entre

500 et 700 e e avec des PS 2 comprises dans le domaine de stabilité

nous avons effectué les mesures du paramètre de la maille

élementaire. La valeur de ce paramètre reste constant et égal à

5~2 A ( avec une incertitude inférieure à 1~00 ) quelle que soit

l'orisine du produit (température, et PS 2)

2) Le sulfure de plomb possède une conductivité cr très gran­

de à toute température. Dans l'intervalle de température et de

?S2 étudié, sa conductivité qui croit avec la température est-1 -1comprise entre 5 et 20 ~ cm .

La courbe de variation de cr en fonction de la pression de

soufre à 500°8 et Goooe présentent un minimum aplati caractéris­

tique d'une transition n - p.

Les courbes isothermes entre 500 0 e et gOOoe montrent que la

théorie de KROGER et VINK n'est pas vérifiée, ce qui est compati­

ble av~c le caractère semi-métallique du PbS.

3) Les variations isothermes du coefficient de pouvoir

the~moélectrique Q en fonction de la PS2

sont caractérisées par

Page 106: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-98-

par une transition n - p. La valeur zéro de cette transition à

500°C et 600°C coïncide avec le minimum de conductivité.

Les valeurs de Q varient de + 200 ~V/oC dans la zone p à ­

450 ~V/oC dans la zone n.

La loi de HOGARTH Q =vérifiée.

kem 2,3 log Ps + cte n'est pas

2

Au dessus de 600°C, les pressions de soufre qui correspondent

à la transition n - p seraient obtenues dans une atmosphère

plus riche en soufre que celle qui existe dans H2S

pur.

4) L'étude des variations de la composition chimique en fonc­

tion de la PS 2 effectuée par thermogravimétrie à 500°C, 700°C et

BOOoc a montré que le rapport P; reste constant dans

tout le domaine exploré à la limite de sensibilité de l'appareil6m 10-3 .m

De plus, dans la zone n, à partir de SOO°C, nous avons obser­

vé une lente perte de poids en fonction du temps qui est due à

un départ de plomb placé en position interstitielle.

Par ailleurs, il n'a pas été possible de repérer la

composition globale par rapport à une référence pondérale.

5) Les mesures de densité ont été effectuées sur des

échantillons de PbS trempés. Ces mesures ont montré que quelle

que soit l'origine du produit trempé, la densité expérimentale

reste constante et égale à 7,47 + 0,03. Cet~e valeur est infé-

Page 107: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-99-

rieure à celle de la densité théorique 7~65.

Nous rendons compte de ces résultats en représentant le

sulfure de plomb par la formule : Pb 1 Si .-x -y

6) A partir des résultats expérimentaux nous av.ons donné une

interprétation originale de la structure du sulfure de plomb.

- si D désigne les lacunes en Pb2+

- si ~ désigne les lacunes en S2-

à la transition n - p le sulfure de plomb sera représenté par la

formule

2+D O~03

2-~PbO~97 So ~97 0~03

- pour le sulfure de plomb de type p~ la formule deviendra

avec € < 10-3 compte tenu des résultats de thermobalance.

- le PbS de type n sera représenté par la formule

av e c ( Pb2+)i désignant l'ion Pb 2+ en position interstitielle et

. € < 10-3 pour tenir compte des résultats de thermobalance.

En tenant compte du fait que chaque type de sulfure de plomb

doit être neutre électriquement :

Page 108: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-100-

- le type p sera représenté par la formule développée

~ 0 03, 1

2+ 4+ 0 2-Pb O,97-2E PbE ~,03-E So 97

\., --. 1 \L~__' ____, -'- 'V - v·

sites normaux sites normaux

- la formule la plus représentative du PbS de type n sera

2+0 0 , 0 3

( Pb2+) i - 2-~Pb O, 9 7 e 2 E SO,97 0,03E

\ l' 1v V v

position normale position position normaleinterstitielle

Nous nous sommes ensuite intéressés au PbS dopé par un

métal :

- les éléments qui favorisent la semi-conduction de type p+ + 3+ . 2+sont les suivants : Cu , Tl , Cr , Zn .

P · . Z 2+arml ceUX-Cl n est le plus efficace.

Ces éléments se placent dans le réseau de PbS par substitu­

tion dans les sites occupés par Pb 2+, en retardant l'occupation

des sites interstitiels par l'ion Pb 2+.

- Seul l'ion Bi 3+ augmente l'étendue de la zone n. Cet

ion favorise la présence d'ions Pb 2+ en position interstitielle.

Page 109: UNIVERSITÉ DE PICARDIE - greenstone.lecames.orggreenstone.lecames.org/collect/thefe/index/assoc/HASH0178.dir/CS... · trie . VI - Densi té . ... du coefficient de pouvoir thermo

-101-

BIBLIOGRAPHIE

(1) GENTA. Ricerca Sei. 21~ 788~ 1951

(2) BREBICK et SCANLON~ Phys. Rev. 96~ 598~ 1954

(3) HINTERBERGER~ Z. Physik~ 119~ 1~ 1942.

(4) MORTON~ Trans~ Frarday Soc. 43~ 194~ 1947.

(5) DUNAEV er MASLAKOVETS~ Zhu», Ekpû Teoret i rc«, 17~ 901~ 1947.

(6) SCANLON~ Phys. Rev. 92~ 1573~ 1953.

(7) BWEM~ Chem . Weekblad~ 51~ 387~ 1955.

(8) J. RASNEUR~ Thèse~ Amiens~ 1981.

(9) C. WAGNER~ Z. Elektrochem~ 39~ p. 543 (1933).

(10) W. SCHOTTKY~ Z. Elektrochem~ 45~ p. 33~ (1939).

(11) F. SEITZ "The Modern Theory of Sol.i de" Mc Grau Hill Co , New York (1940).

(12) C. A. HOGARTH~ Phill~ Mag. 39~ p. 260 (1948).

(13) F. A. KROGER et H. J. VINK~ Solid State Physics~ par F. SEITZ et D.

TURBULL~ Academie Press~ New York~ 3~ p. 307 (1956).

(14) H. LE BRUSQ~ thèse~ Amiens~ 1972.

(15) J. P. DELfMIRE~ thèse~ Amiens~ 1972.

(16) J. F. ELLIOT et M. GLEISER "Thermochemistry for steel making"

vol. 1~ Addison~ Wesley Publish~ Co~ Inc.~ Reading~ Massachussets U.S.A.~

London England (1960).

(17) SCHENCKet ALBERS~ Z. Anorg. Chem. 105~ 145~ 1919.

(18) SCHENCK~ Metall. Erz.~ 23~ 407~ 1926.

(19) K. SUDO~ Sei. Resp. Res. Inst. Tôhoku Univ. A2~ 325 (1950).

(20) H. LE BRUSQ et J. P. DELMAIRE~ Rev. int. Temp. et Refract. 1973~ et

10~ p. 15 - 26.

(21) ABDULLAEV~ ZULIEV~ KAKHRAMANOV~ oot«, Akad, Naute Azerb SSSR~

23 (1) 12 (1967) RUSS.