L'amélioration des matériaux thermoélectriques capables de convertir directement la chaleur perdue en énergie électrique peut conduire à l'une des solutions aux problèmes énergétiques. Pour de hautes performances dans les matériaux thermoélectriques, il est nécessaire de conduire facilement l'électricité tout en rendant difficile le passage de la chaleur. À savoir, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique sont nécessaires. Cependant, cela a été très difficile pendant longtemps car les deux conductivités sont corrélées. Maintenant, la nanostructuration était attendue pour le contrôle indépendant des deux conductions, mais sa méthodologie par nanostructuration était encore floue.

Yoshiaki Nakamura, Le professeur de l'Université d'Osaka a proposé une nanostructure unique (Fig. 1) et a établi une méthodologie pour le développement d'un matériau dans lequel les conductions thermiques et électriques peuvent être contrôlées simultanément.

Son groupe de recherche a créé une nanostructure dans laquelle des nanopoints ultrapetits de germanium (Ge) ont été formés avec des orientations cristallines identiques dans le silicium (Si). Dans cette structure, le courant électrique circule dans le Si et la conduction thermique a été empêchée par les nanopoints de Ge, donc, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique ont été réalisées simultanément. En faisant la forme et la dimension des facteurs de contrôle des nanodots Ge, il est devenu possible de contrôler à volonté la conductivité thermique. En utilisant cette technique, ce groupe a réussi à augmenter la résistance thermique interfaciale Si/Ge de 2 à 3 fois les valeurs conventionnelles, obtenant la plus grande résistance thermique interfaciale Si/Ge au monde.

Les résultats de cette recherche montrent qu'en introduisant des nanopoints de Ge ultrapetits cultivés par épitaxie dans des matériaux à haute conductivité électrique, la conduction de la chaleur et de l'électricité peut être contrôlée simultanément avec succès. En outre, car ces résultats ne se limitent pas à Si, on peut prévoir que cette recherche sera utilisée dans le développement de matériaux thermoélectriques qui utilisent également d'autres matériaux, qui sont en forte demande pour l'utilisation de la chaleur perdue dans les usines et les automobiles.

Dans notre société de l'information actuelle, la chaleur perdue dégagée par les LSI (circuits intégrés à grande échelle) dans nos PC et serveurs a augmenté massivement au fil des ans, et le développement de matériaux thermoélectriques à base de Si compatibles avec le LSI est devenu nécessaire afin d'utiliser cette chaleur perdue comme énergie thermoélectrique. Ces recherches ont montré une amélioration possible de l'efficacité de cette conversion de la chaleur perdue en électricité grâce à l'introduction de nanostructures à Si, une percée potentielle dans la réalisation de matériaux thermoélectriques à base de Si pour une utilisation dans la conversion de chaleur résiduelle LSI.