La technologie des matériaux thermoélectriques peut convertir entre la chaleur et l'électricité dans une construction de matériaux, mais de nombreux matériaux existants contiennent des éléments rares ou toxiques. Dans une nouvelle étude sur Science , Wenke He et ses collègues ont rapporté l'interaction dépendante de la température entre trois bandes électroniques distinctes dans des cristaux de sulfure d'étain dopés par des trous (SnS). Le comportement des matériaux a permis une optimisation synergique entre la masse effective (m ^* ) et la mobilité des porteurs (µ), que l'équipe de recherche a stimulé en introduisant du sélénium (Se).

En alliant Se, ils ont amélioré le facteur de puissance des matériaux d'environ 30 à 53 microwatts par centimètre par carré Kelvin (µWcm ^-1 K ^-2 à 300 K) et abaissé la conductivité thermique. L'équipe de recherche a obtenu un facteur de mérite maximal ZT (ZT max ) approchant 1,6 à 873 K et un ZT moyen (ZT ave ; figure de mérite sans dimension) d'environ 1,25 entre 300 K et 837 K dans SnS 0,91 Se 0,09 cristaux. Les chercheurs ont introduit une stratégie de manipulation des obligations, qui offrait une voie différente pour optimiser les performances thermoélectriques. Les cristaux SnS haute performance utilisés dans le travail ont représenté une étape importante vers le développement à faible coût, terre abondant et thermoélectrique favorable à l'environnement.

La technologie thermoélectrique permet la conversion inversible entre l'énergie thermique et l'électricité pour fournir une voie respectueuse de l'environnement pour la production d'électricité. Le processus peut se produire en récupérant la chaleur résiduelle ou en refroidissant à l'état solide. Les scientifiques et les physiciens des matériaux ont déterminé l'efficacité de conversion de la technologie thermoélectrique en utilisant la figure de mérite sans dimension (ZT) pour un matériau thermoélectrique donné. Les paramètres qui déterminent l'efficacité de conversion de la technologie thermoélectrique sont étroitement liés, faire de la manipulation de n'importe quel paramètre pour améliorer les performances thermoélectriques un défi. Les chercheurs avaient déjà conçu plusieurs stratégies pour améliorer les ZT, en optimisant les facteurs de puissance via la convergence des bandes, aplatissement de bande ou distorsion de densité d'états.

Les scientifiques peuvent découpler les paramètres thermoélectriques en incorporant des nanoparticules magnétiques et réduire la conductivité thermique avec des nanostructures. Les scientifiques des matériaux ont également développé des matériaux entièrement nouveaux avec une conductivité thermique intrinsèquement faible ou avec un facteur de puissance élevé, ou avec des thermoélectriques hautes performances provenant d'un criblage de matériaux fiable à haut débit. Les thermoélectriques hautes performances sont généralement largement étudiés dans les semi-conducteurs des groupes IV-VI. L'ajout de SnSe (séléniure d'étain) au groupe est prometteur puisque les matériaux thermoélectriques ne contiennent pas ces éléments. Par ailleurs, SnSe a des propriétés d'un ZT élevé aux côtés de plusieurs bandes de valence et d'une charge tridimensionnelle (3-D) et d'un transport de phonons 2-D.

Le composé SnS est un analogue structurel de SnSe et devrait également être un candidat thermoélectrique attrayant. Alors que le coût inférieur et l'abondance terrestre de S (soufre) sont attrayants pour la science frugale et les applications commerciales à grande échelle, la faible mobilité des porteurs peut entraîner des propriétés de transport électrique médiocres qui entravent les performances thermoélectriques élevées. Dans le travail present, Il et al. donc exploré les potentiels thermoélectriques des cristaux de SnS en manipulant leur structure de bande, puisque l'équipe de recherche avait également précédemment montré la capacité d'augmenter la mobilité des porteurs des cristaux SnS. Comme S était assez réactif avec les matériaux de contact, il était important de développer une barrière de diffusion à l'avenir.

Dans le travail present, l'équipe de recherche a synthétisé le SnS 1 fois Se X cristaux en utilisant une méthode de gradient de température pour étudier le rôle de Se dans le composé. L'équipe a obtenu des structures de bandes électroniques dépendantes de la température à l'aide de calculs de la théorie de la fonction de densité (DFT) basés sur les positions atomiques, qu'ils ont dérivées à l'aide de données de diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron à haute température (SR-XRD). En utilisant les calculs DFT et les mesures de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), l'équipe a confirmé trois interactions de bandes électroniques distinctes. Ils ont favorisé l'interaction comportementale exceptionnelle des bandes électroniques en substituant S par Se pour optimiser avec succès la masse effective (m ^* ) et la mobilité effective (µ) au sein du matériau. Ils ont amélioré le facteur de puissance (PF) de 30 à 53 µWcm ^-1 K ^-2 à 300 K. L'équipe a confirmé la substitution de Se en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage à correction d'aberration (STEM) et la spectroscopie à structure fine d'absorption des rayons X (XAFS). En utilisant la diffusion inélastique des neutrons (INS), Il et al. ont montré que les phonons typiques (ondes acoustiques) étaient adoucis par la substitution de Se et couplés en outre à des branches acoustiques pour une conductivité thermique plus faible.

Les résultats impliquaient en outre que la conductivité électrique s'améliorait en raison de la mobilité accrue des porteurs après l'alliage de 9 pour cent de Se. L'équipe de recherche a observé une augmentation combinée de la conductivité électrique et un grand coefficient Seebeck (sensibilité thermoélectrique) pour fournir un PF (facteur de puissance) d'environ 53 µWcm ^-1 K ^-2 à 300 K pour le SnS 0 . 91 Se 0,09 cristaux. Les valeurs étaient plus élevées que celles des autres matériaux thermoélectriques des composés des groupes IV à VI. L'équipe de recherche a illustré schématiquement l'évolution dynamique des trois bandes de valence et le décalage d'énergie entre elles en fonction de la température. Puis en introduisant Se, Il et al. favorisé l'interaction des trois bandes de valence responsables d'optimiser la masse effective et la mobilité (m ^* et µ); où abaisser m ^* a permis d'améliorer µ.

Il et al. a également utilisé ARPES (mesures de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire) pour observer la structure de bande électrique des cristaux de SnS. Ils ont tracé trois bandes de valence le long de différentes directions et leurs niveaux d'énergie relatifs dans la zone 3-D de Brillouin (une zone théorique). Les scientifiques ont ensuite effectué une spectroscopie d'absorption des rayons X à structure fine (XAFS) sur SnS 1 fois Se X cristaux pour comprendre la substitution Se. Leurs travaux ont montré que pour SnS 0 . 91 Se 0,09 cristaux, le spectre de la structure proche des bords d'absorption des rayons X (XANES) contenait trois caractéristiques principales. L'équipe de recherche a reproduit les trois principales caractéristiques expérimentales à l'aide d'un spectre simulé et d'un modèle de substitution Se. Ils ont observé l'introduction réussie de Se dans le réseau SnS pour tous les SnS 1 fois Se X cristaux.

L'équipe a utilisé le champ sombre annulaire à angle élevé STEM (HAADF) pour produire une image de contraste et visualiser les substitutions de Se à l'échelle atomique sur les sites S au sein de SnS 0 . 91 Se 0,09 cristaux. Ils ont obtenu des modes structuraux et des diagrammes de diffraction électronique pour SnS et SnSe dans des arrangements atomiques de type haltère. La luminosité anormale sur les sites S indiquait des substitutions de Se. Ils ont combiné un facteur de puissance (PF) exceptionnellement élevé et une faible conductivité thermique pour générer un maximum de ZT (ZT max ), pour le SnS 0 . 91 Se 0,09 cristaux. Il et al. a montré une bonne stabilité thermoélectrique pour les cristaux haute performance, où les cristaux ont montré une excellente stabilité après irradiation neutronique pendant 432 heures. Une telle résistance à l'irradiation est importante pour les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes pour l'exploration de l'espace lointain.

Par rapport aux autres matériaux thermoélectriques du groupe IV-VI, Les matériaux SnS étaient de loin supérieurs en termes de toxicité et d'abondance élémentaire. Les chercheurs prévoient d'optimiser davantage les matériaux de contact pour le SnS lors de la substitution élémentaire afin d'obtenir une efficacité expérimentale plus élevée avec un faible coût et des performances élevées à l'avenir. De cette façon, Wenke He et ses collègues ont utilisé SnS 0 . 91 Se 0,09 cristaux pour démontrer largement le grand potentiel de compétitivité, applications à grande échelle dans la technologie des matériaux thermoélectriques.

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