La science révolutionnaire est souvent le résultat d'une véritable collaboration, avec des chercheurs dans des domaines variés, points de vue et expériences réunis de manière unique. L'un de ces efforts des chercheurs de l'Université Clemson a conduit à une découverte qui pourrait changer la façon dont la science de la thermoélectrique progresse.

Assistant de recherche diplômé Prakash Parajuli; professeur assistant de recherche Sriparna Bhattacharya; et le directeur fondateur du Clemson Nanomaterials Institute (CNI) Apparao Rao (tous membres du CNI dans le département de physique et d'astronomie du Collège des sciences) a travaillé avec une équipe internationale de scientifiques pour examiner un matériau thermoélectrique hautement efficace d'une nouvelle manière, en utilisant la lumière.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Sciences avancées et s'intitule « ZT élevé et son origine dans les monocristaux de GeTe dopés au Sb ».

« Les matériaux thermoélectriques convertissent l'énergie thermique en énergie électrique utile ; par conséquent, il y a beaucoup d'intérêt pour les matériaux qui peuvent le convertir le plus efficacement possible, " a dit Parajuli

Bhattacharya a expliqué que la clé pour mesurer les progrès dans le domaine est la figure du mérite, noté zT, qui dépend fortement de la propriété des matériaux thermoélectriques. "De nombreux matériaux thermoélectriques présentent un zT de 1-1,5, qui dépend aussi de la température du matériau thermoélectrique. Ce n'est que récemment que des matériaux avec un zT de 2 ou plus ont été signalés."

"Cela pose la question, combien d'autres matériaux de ce type pouvons-nous trouver, et quelle est la science fondamentale qui est nouvelle ici grâce à laquelle un zT supérieur à 2 peut être atteint ?" a ajouté Rao. "La recherche fondamentale est la graine à partir de laquelle la recherche appliquée se développe, et pour rester à la pointe de la thermoélectrique, nous nous sommes associés à l'équipe du professeur Yang Yuan Chen à l'Academia Sinica, Taïwan."

Les équipes de Chen et Rao se sont concentrées sur le tellurure de germanium (GeTe), un matériau monocristallin.

"GeTe est intéressant, mais le simple GeTe sans dopage ne présente pas de propriétés excitantes, " dit Bhattacharya. " Mais une fois que nous y ajoutons un peu d'antimoine, il montre de bonnes propriétés électroniques, ainsi qu'une très faible conductivité thermique."

Alors que d'autres ont signalé des matériaux à base de GeTe avec un zT élevé, il s'agissait de matériaux polycristallins. Les polycristaux ont des limites parmi les nombreux petits cristaux dont ils sont formés. Alors que de telles limites entravent favorablement le transfert de chaleur, ils masquent l'origine des processus fondamentaux qui conduisent à un zT élevé.

"Ici, nous avions des monocristaux de GeTe purs et dopés dont les propriétés thermoélectriques n'ont pas été rapportées, " dit Bhattacharya. " Par conséquent, nous avons pu évaluer les propriétés intrinsèques de ces matériaux qui seraient autrement difficiles à déchiffrer en présence de processus concurrents. C'est peut-être le premier cristal GeTe avec dopage à l'antimoine qui a montré ces propriétés uniques, principalement la conductivité thermique ultra-faible. »

Cette faible conductivité thermique a été une surprise, puisque la structure cristalline simple du matériau devrait permettre à la chaleur de circuler facilement à travers le cristal.

"Les électrons transportent la chaleur et l'électricité, donc si vous bloquez les électrons, tu n'as pas d'électricité, " Parajuli a dit. " Par conséquent, la clé est de bloquer le flux de chaleur par les vibrations quantifiées du réseau appelées phonons, tout en permettant aux électrons de circuler."

Doper GeTe avec la bonne quantité d'antimoine peut maximiser le flux d'électrons et minimiser le flux de chaleur. Cette étude a révélé que la présence de 8 atomes d'antimoine pour 100 GeTe donne naissance à un nouvel ensemble de phonons, qui réduisent efficacement le flux de chaleur qui a été confirmé à la fois expérimentalement et théoriquement.

L'équipe, avec les collaborateurs qui ont fait pousser les cristaux, effectué des mesures de transport électronique et thermique en plus des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité pour trouver ce mécanisme de deux manières :d'abord, par la modélisation, utiliser les données de conductivité thermique ; seconde, par spectroscopie Raman, qui sonde les phonons dans un matériau.

"C'est un angle totalement nouveau pour la recherche thermoélectrique, " a déclaré Rao. "Nous sommes en quelque sorte des pionniers dans ce domaine - en décodant la conductivité thermique dans les thermoélectriques avec la lumière. Ce que nous avons trouvé en utilisant la lumière concordait bien avec ce qui a été trouvé par des mesures de transport thermique. Les futures recherches en thermoélectrique devraient utiliser la lumière - c'est une méthode non destructive très puissante pour élucider le transport de chaleur dans les thermoélectriques. Vous éclairez l'échantillon, et collecter des informations. Vous ne détruisez pas l'échantillon."

Rao a déclaré que le large éventail d'expertises des collaborateurs était la clé de leur succès. Le groupe comprenait Fengjiao Liu, un ancien Ph.D. étudiant au CNI; Raoul Rao, Chercheur Physicien au Laboratoire de Recherche de l'Armée de l'Air, Base aérienne de Wright-Patterson ; et Olivier Rancu, un lycéen de la South Carolina Governor's School for Science and Mathematics qui a travaillé avec l'équipe dans le cadre du programme SPRI (Summer Program for Research Interns) de Clemson. En raison de la pandémie, l'équipe a travaillé avec Rancu via Zoom, le guidant avec certains des calculs de Parajuli en utilisant un autre code Matlab.

"Je suis très reconnaissant d'avoir eu l'opportunité de travailler avec les membres de l'équipe CNI cet été, " dit Rancu, qui vient d'Anderson, Caroline du Sud. "J'ai appris tellement de choses sur la physique et l'expérience de recherche en général. C'était vraiment inestimable, et cette publication de recherche n'est qu'un autre ajout à une expérience déjà fantastique."

"J'ai été très impressionné par Oliver, " a ajouté Parajuli. " Il a rapidement compris le cadre nécessaire à la théorie. "