Dans les années récentes, la consommation d'énergie dans les pays développés a été plutôt un gaspillage. Près des deux tiers de l'énergie totale sont généralement rejetés dans l'environnement sous forme de « chaleur perdue, " qui finit par contribuer au réchauffement climatique. Trouver un moyen d'utiliser cette chaleur de manière productive a été au premier plan de la priorité de chaque chercheur de matériaux.

L'une des différentes manières possibles de récupérer cette chaleur perdue sous forme d'électricité consiste à utiliser ce que l'on appelle la « conversion thermoélectrique », un processus qui utilise la différence de température dans les semi-conducteurs pour les convertir directement en tension électrique. Les dispositifs thermoélectriques comprennent des semi-conducteurs de type p et de type n avec deux types de porteurs de charge, c'est-à-dire électron et trou. Les semi-conducteurs de type p et de type n sont connectés en série pour produire une grande tension thermoélectrique. Par conséquent, il est nécessaire de développer les semi-conducteurs de type p et de type n avec un rendement de conversion thermoélectrique élevé.

Un matériau semi-conducteur particulier sur lequel les scientifiques ont récemment porté leur attention est le monoséléniure d'étain (SnSe), qui aurait la valeur ZT de l'indice de performance de conversion thermoélectrique la plus élevée au monde. Cependant, SnSe est incapable de contrôler facilement le type de porteur de charge. Le dopage avec des ions alcalins améliore les performances thermoélectriques de type p mais les ions alcalins sont des éléments volatils et diffusifs, et ne conviennent pas aux applications à haute température. Ajout de bismuth et d'iode pour le rendre de type n, d'autre part, entraîne de faibles concentrations d'électrons.

Dans une nouvelle étude publiée dans Matériaux fonctionnels avancés , une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, Japon, dirigé par le professeur Takayoshi Katase a découvert que lorsqu'il est dopé à l'antimoine (Sb), SnSe, noté (Sn 1 fois Sb X )Se, présente une commutation particulière du type de conduction. Spécifiquement, l'équipe a observé qu'à de faibles concentrations de dopage, (Sn 1 fois Sb X )Se a commencé avec une conduction de type p mais est passé au type n avec un dopage croissant, et finalement repassé au type p pour les concentrations élevées. Les analyses et calculs élaborés ont révélé un mécanisme de commutation de type de charge intéressant qui, l'équipe a trouvé, concerne la distribution des sites de substitution Sb entre Sn et Se. Ils ont attribué ce comportement de commutation à une commutation du site majeur de substitution Sb de Se (Sb Se ) à Sn (Sb Sn ) avec un dopage croissant.

Les scientifiques ont expliqué qu'à de très faibles concentrations de Sb, la conduction de type p se produit uniquement en raison de trous fournis par la lacune de Sn. Mais à mesure que le dopage augmente, Sb Sn commence à donner des électrons tandis que Sb Se forme une "bande d'impuretés" qui permet la conduction à travers elle, ce qui entraîne le comportement de type n observé. Cependant, à mesure que le niveau de dopage augmente, le niveau de Fermi se rapproche du niveau intermédiaire situé entre le Sb Se bande d'impureté et bande de conduction minimum, résultant en la conduction de type p.

Avec des idées si remarquables à offrir, les résultats sont sans aucun doute un changeur de jeu potentiel pour SnSe. Cependant, Le professeur Takase prévoit une portée encore plus large. "Maintenant que nous comprenons le mécanisme en jeu dans la commutation de polarité du SnSe dopé au Sb, nous pouvons espérer optimiser le processus de synthèse en masse pour améliorer encore ses performances thermoélectriques et, à son tour, réaliser avec elle des dispositifs de conversion thermoélectrique performants, " suppose le Pr Katase.

Quoi de plus, les chercheurs s'attendent également à ce que le contrôle de polarité basé sur la commutation de sites de dopage devienne plus polyvalent à l'avenir et puisse être appliqué à d'autres matériaux semi-conducteurs dont les types de porteurs sont difficiles à contrôler autrement. En espérant que cela mène à un avenir où la chaleur perdue ne sera plus un gaspillage !