Dans la recherche de solutions aux problèmes environnementaux de plus en plus graves, comme l'épuisement des combustibles fossiles et le changement climatique, beaucoup se sont tournés vers le potentiel des matériaux thermoélectriques pour générer de l'énergie. Ces matériaux présentent ce que l'on appelle l'effet thermoélectrique, ce qui crée une différence de tension lorsqu'il y a un gradient de température entre les faces du matériau. Ce phénomène peut être exploité pour produire de l'électricité en utilisant l'énorme quantité de chaleur résiduelle que l'activité humaine génère, comme celle des automobiles et des centrales thermiques, offrant ainsi une alternative écologique pour satisfaire nos besoins énergétiques.

Siliciure de magnésium (Mg 2 Si) est un matériau thermoélectrique particulièrement prometteur avec une "figure de mérite" (ZT) élevée, une mesure de ses performances de conversion. Bien que les scientifiques aient précédemment noté que le dopage au Mg 2 Si avec une petite quantité d'impuretés améliore son ZT en augmentant sa conductivité électrique et en réduisant sa conductivité thermique, les mécanismes sous-jacents à ces changements étaient inconnus jusqu'à présent.

Dans une récente étude conjointe publiée dans un article vedette dans Lettres de physique appliquée , des scientifiques de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), l'Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron (JASRI), et l'Université Shimane, Japon, se sont associés pour découvrir les mystères derrière l'amélioration des performances de Mg 2 Si dopé à l'antimoine (Sb). Dr Masato Kotsugi de TUS, qui est l'auteur correspondant de l'étude, explique leur motivation :« Bien qu'il ait été constaté que les impuretés Sb augmentent le ZT de Mg 2 Si, les changements résultants dans la structure locale et les états électroniques qui provoquent cet effet n'ont pas été élucidés expérimentalement. Ces informations sont essentielles pour comprendre les mécanismes derrière les performances thermoélectriques et améliorer la prochaine génération de matériaux thermoélectriques. »

Mais comment pourraient-ils analyser les effets des impuretés Sb sur Mg 2 Si au niveau atomique ? La réponse réside dans l'analyse de la structure fine d'absorption des rayons X étendu (EXAFS) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X durs (HAXPES), comme le Dr Masato Kotsugi et M. Tomoyuki Kadono, qui est le premier auteur de l'étude, explique :« EXAFS nous permet d'identifier la structure locale autour d'un atome excité et a une forte sensibilité aux éléments dilués (impuretés) dans le matériau, qui peuvent être identifiés avec précision par des mesures de fluorescence. D'autre part, HAXPES nous permet d'étudier directement les états électroniques au plus profond de la masse du matériau sans influence indésirable de l'oxydation de surface." Des techniques si puissantes, cependant, ne sont pas effectués à l'aide d'équipements ordinaires. Les expériences ont été menées au SPring-8, l'une des grandes installations de rayonnement synchrotron à rayons X les plus importantes au monde, avec l'aide du Dr Akira Yasui et du Dr Kiyofumi Nitta de JASRI.

Les scientifiques ont complété ces méthodes expérimentales par des calculs théoriques pour faire la lumière sur les effets exacts des impuretés dans le Mg 2 Si. Ces calculs théoriques ont été effectués par le Dr Naomi Hirayama de l'Université Shimane. "La combinaison des calculs théoriques et de l'expérimentation est ce qui a donné des résultats uniques dans notre étude, " elle dit.

Les scientifiques ont découvert que les atomes de Sb remplacent les atomes de Si dans le Mg 2 Si le réseau cristallin et introduire une légère distorsion dans les distances interatomiques. Cela pourrait favoriser un phénomène appelé diffusion de phonons, ce qui réduit la conductivité thermique du matériau et augmente à son tour son ZT. De plus, parce que les atomes Sb contiennent un électron de valence de plus que Si, ils fournissent effectivement des porteurs de charge supplémentaires qui comblent l'écart entre les bandes de valence et de conduction ; en d'autres termes, Les impuretés Sb libèrent des états d'énergie qui facilitent le saut d'énergie requis par les électrons pour circuler. Par conséquent, la conductivité électrique du Mg dopé 2 Si augmente, et son ZT aussi.

Cette étude a considérablement approfondi notre compréhension du dopage dans les matériaux thermoélectriques, et les résultats devraient servir de guide pour l'ingénierie des matériaux innovants. Dr Tsutomu Iida, scientifique principal de l'étude, dit :« Dans ma vision du futur, la chaleur résiduelle des voitures est efficacement convertie en électricité pour alimenter une société respectueuse de l'environnement." Heureusement, nous pourrions être un pas de plus vers la réalisation de ce rêve.