Le séléniure d'étain pourrait dépasser considérablement l'efficacité des matériaux thermoélectriques actuels qui détiennent des records en tellurure de bismuth. Cependant, on pensait que son efficacité n'augmentait considérablement qu'à des températures supérieures à 500 degrés Celsius. Désormais, des mesures aux sources synchrotron BESSY II et PETRA IV montrent que le séléniure d'étain peut également être utilisé comme matériau thermoélectrique à température ambiante, à condition d'appliquer une pression élevée.

L'effet thermoélectrique est connu depuis 1821 :avec certaines combinaisons de matériaux, une différence de température génère un courant électrique. Si une extrémité de l'échantillon est chauffée, par exemple en utilisant la chaleur perdue d'un moteur à combustion, puis une partie de cette énergie autrement perdue peut être convertie en énergie électrique. Cependant, l'effet thermoélectrique dans la plupart des matériaux est extrêmement faible. En effet, pour obtenir un effet thermoélectrique important, la conduction thermique doit être mauvaise, alors que la conductivité électrique doit être élevée. Cependant, conduction thermique et conductivité électrique sont presque toujours étroitement associées.

Pour cette raison, la recherche de matériaux thermoélectriques se concentre sur des composés à structures cristallines particulières comme le tellurure de bismuth (Bi 2 Te 3 ). Le tellurure de bismuth est l'un des meilleurs matériaux thermoélectriques connus à ce jour. Cependant, le bismuth et le tellure sont des éléments rares, qui limitent leur utilisation à grande échelle. La recherche continue donc de matériaux thermoélectriques appropriés parmi les éléments non toxiques les plus abondants.

Il y a six ans, une équipe de recherche des États-Unis a découvert que le séléniure d'étain au-dessus de 500 degrés Celsius peut convertir environ 20 % de la chaleur en énergie électrique. Ceci est une efficacité énorme et dépasse considérablement la valeur pour le tellurure de bismuth. En outre, l'étain et le sélénium sont abondants.

Cet effet thermoélectrique extrêmement important est lié à une transition de phase ou à un réarrangement de la structure cristalline du séléniure d'étain. La structure cristalline du séléniure d'étain se compose de plusieurs couches, semblable à la pâte filo ou feuilletée. A 500 degrés Celsius, les couches commencent à s'auto-organiser et la conduction thermique diminue, tandis que les porteurs de charge restent mobiles. L'efficacité de l'effet thermoélectrique dans cette orientation cristallographique du séléniure d'étain n'a été dépassée par aucun autre matériau à ce jour.

Travaux à haute pression

Une équipe internationale dirigée par le Dr Ulrich Schade au HZB a maintenant examiné de manière approfondie des échantillons de séléniure d'étain à l'aide de la spectroscopie infrarouge à BESSY II et des rayons X durs à PETRA IV. Les mesures montrent que la structure cristalline souhaitée est produite soit par une température élevée à pression normale, soit par une pression élevée (supérieure à 10 GPa) à température ambiante. Les propriétés électroniques changent également de semi-conductrice à semi-métallique dans la structure à haute température. Cela correspond aux prédictions des calculs théoriques du modèle et également des calculs de la structure de bande.

"Nous sommes en mesure d'expliquer avec nos données et nos calculs pourquoi le séléniure d'étain est un matériau thermoélectrique si exceptionnel sur une large plage de température et de pression, " dit Schade. D'autres travaux de développement seront nécessaires pour garantir la stabilité à long terme, par exemple, avant que les dispositifs thermoélectriques à base de séléniure d'étain n'arrivent vraiment sur le marché, bien que. Le séléniure d'étain pourrait alors devenir une alternative économique et facilement disponible au tellurure de bismuth.