Chiffre. (a) Schéma illustrant le concept de génération thermoélectrique transversale pilotée par Seebeck (STTG). Le courant de charge induit par l'effet Seebeck dans le matériau thermoélectrique génère une grande tension thermoélectrique dans le matériau magnétique dans la direction perpendiculaire à un gradient de température. (b) Tension thermoélectrique transversale en fonction du rapport de taille entre les matériaux thermoélectriques et magnétiques. Les courbes pleines ont été calculées à l'aide de nos modèles phénoménologiques décrivant le STTG et les symboles carrés ont été mesurés dans les expériences. (c) Schéma de la structure de l'échantillon. (d) Comparaison entre la thermopuissance transversale pour le Co2MnGa brut, dans lequel seul l'effet Nernst anormal (ANE) apparaît, et la structure hybride Co2MnGa-Si, dans lequel STTG et ANE apparaissent simultanément. Crédit :Institut national des sciences des matériaux
Une équipe de recherche NIMS a conçu un nouveau mécanisme de génération thermoélectrique avec une structure hybride composée de matériaux thermoélectriques et magnétiques. L'équipe a ensuite fabriqué cette structure et observé la puissance thermique record apparaissant dans la direction perpendiculaire à un gradient de température (c'est-à-dire, génération thermoélectrique transversale). Ces résultats peuvent offrir un aperçu de nouveaux mécanismes et conceptions structurelles applicables au développement de technologies polyvalentes de récupération d'énergie et de capteurs de flux de chaleur hautement sensibles.
L'effet Seebeck est un phénomène dans lequel un gradient de température à travers un métal ou un semi-conducteur est converti en une tension thermoélectrique. Parce que cet effet peut être utilisé pour convertir la chaleur perdue en énergie électrique, ses applications potentielles (par exemple, sources d'alimentation autonomes pour les appareils IoT) ont été largement étudiées. Cependant, La génération thermoélectrique à effet Seebeck présente des inconvénients :une thermopuissance est générée le long de la direction d'un gradient de température (c'est-à-dire, génération thermoélectrique longitudinale). En raison de cette relation parallèle, un matériau thermoélectrique doit être étendu dans la direction d'un gradient de température pour créer de grandes différences de température et une grande tension thermoélectrique résultante. Par ailleurs, dans les appareils Seebeck conventionnels, une structure complexe composée d'une connexion en série de plusieurs paires de deux matériaux thermoélectriques différents est nécessaire pour améliorer une tension thermoélectrique. Cependant, ces dispositions augmentent le coût de production, rendre le matériau/la structure moins durable, et limiter son applicabilité pratique. En revanche, l'effet Nernst anormal - un phénomène thermoélectrique qui ne se produit que dans les matériaux magnétiques - peut générer une tension thermoélectrique perpendiculaire à la direction d'un gradient de température. Cet effet peut ainsi permettre la génération d'une thermopuissance dans une direction transversale, et la tension thermoélectrique peut être augmentée simplement en augmentant la longueur du matériau dans la direction perpendiculaire à un gradient de température. On s'attend à ce que les matériaux thermoélectriques étendus transversalement aient une flexibilité considérablement plus grande lorsqu'ils sont intégrés dans des modules et qu'ils compensent les inconvénients susmentionnés liés à l'effet Seebeck. Cependant, il a été démontré que l'effet Nernst anormal ne génère qu'une très faible puissance thermique (moins de 10 V/K à près de la température ambiante), ce qui rend son application pratique difficile.
Dans ce projet de recherche, l'équipe de recherche a conçu et démontré un nouveau mécanisme de génération thermoélectrique dans lequel une thermopuissance longitudinale induite par l'effet Seebeck dans un matériau thermoélectrique peut être convertie en une thermopuissance transversale dans un matériau magnétique via l'effet Hall anormal. L'équipe a ensuite simulé ce mécanisme sur la base de calculs de modèles phénoménologiques et l'a trouvé potentiellement capable de générer une très haute puissance thermique au-delà de 100 μV/K perpendiculairement à la direction d'un gradient de température lorsque les matériaux et les structures sont optimisés. Pour vérifier expérimentalement ce résultat, l'équipe a fabriqué une structure hybride composée de Co2MnGa, un composé magnétique capable de produire le grand effet Hall anormal, et de Si semi-conducteur capable de produire le grand effet Seebeck. Cette structure a généré des thermopouvoirs transversaux positifs et négatifs records (+82 V/K et -41 μV/K). La grandeur et le signe des puissances thermiques mesurées sont bien reproduits par la prédiction basée sur les calculs du modèle. La capacité de génération thermoélectrique du composite peut en outre être améliorée par une optimisation des matériaux et de la structure.
La puissance thermique observée dans ce projet était plus de 10 fois supérieure à la puissance thermique la plus élevée précédemment enregistrée générée par l'effet Nernst anormal. This result is expected to significantly advance R&D efforts aiming to put transverse thermoelectric generation into practical use. Dans les études futures, we plan to research and develop effective magnetic and thermoelectric materials, create composite structures using these materials, and optimize their structures. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.
This research was published in the online version of Matériaux naturels , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).
