La technologie thermoélectrique peut générer de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle, bien que leurs performances puissent entraîner un goulot d'étranglement pour des applications plus larges. Les scientifiques des matériaux peuvent réguler l'entropie configurationnelle d'un matériau en introduisant différentes espèces atomiques pour ajuster la composition de phase et étendre l'espace d'optimisation des performances. Dans un nouveau rapport maintenant sur Science , Binbin Jang et al. ont utilisé un matériau à haute entropie à base de séléniure de plomb de type n (PbSe) formé par stabilisation structurelle entraînée par l'entropie. Les réseaux largement déformés dans le système à haute entropie ont provoqué des déformations de cisaillement inhabituelles pour fournir une forte diffusion des phonons pour abaisser la conductivité thermique du réseau. Le travail présente un nouveau paradigme pour améliorer les performances thermoélectriques des matériaux thermoélectriques à haute entropie en utilisant l'ingénierie entropique.

Technologie thermoélectrique

Les scientifiques des matériaux ont mis au point des technologies capables de capturer la chaleur résiduelle résultant des processus de conversion contribuant à plus des deux tiers des déchets énergétiques dans le monde. La technologie thermoélectrique est une option attrayante pour une adaptation facile dans de nombreuses situations en raison de sa petite taille, manque de pièces rotatives et d'émissions de gaz. Un obstacle existant à la technologie thermoélectrique est son faible rendement de conversion. Typiquement, les chercheurs peuvent déterminer l'efficacité énergétique par rapport aux conductivités électriques et à la conductivité thermique du réseau des matériaux thermoélectriques. Les chercheurs avaient donc optimisé les paramètres en accordant des structures de bandes, microstructures et états de liaison avec une gamme de méthodes proposées en convergence de bande, niveau de résonance, alliage, nanostructure et ions de type liquide. Bien que nommé diversement, ces méthodes permettent généralement d'améliorer les propriétés de transport électrique et de détruire le chemin de transport thermique.

Alliages à haute entropie (HEA)

Les alliages à haute entropie (HEA) fournissent généralement un moyen d'améliorer les performances thermoélectriques en renforçant la diffusion des phonons en fonction de leur désordre et de leur réseau déformé. Les scientifiques peuvent réguler les propriétés électroniques du matériau pour maintenir le transport des électrons pour une utilisation dans une large gamme de compositions chimiques. Ces matériaux sont généralement définis comme une solution solide contenant plus de cinq éléments principaux et le concept peut être étendu pour créer des matériaux fonctionnels stabilisés par l'entropie. Les scientifiques des matériaux avaient d'abord signalé des matériaux fonctionnels à haute entropie stabilisés par l'entropie contenant soit du magnésium, soit cobalt, nickel, le cuivre, oxyde de zinc suivi de pérovskites, fluorine, spinelles, carbures et siliciures. Dans un système donné, lorsque l'augmentation de l'entropie est supérieure à celle de l'enthalpie, l'entropie configurationnelle augmentera avec l'augmentation des espèces d'éléments, conduisant à une diminution de l'énergie libre de Gibbs et à une structure cristalline stabilisée. Les chercheurs peuvent également former une nouvelle phase en utilisant l'entropie comme force motrice pour l'optimisation des performances. Des structures ainsi stabilisées, énergie libre maintenue où l'effet de stabilisation structurelle a utilisé la compétition entre l'entropie et l'enthalpie. Jang et al. calculé l'enthalpie et l'entropie vibrationnelle en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité pour montrer comment l'effet de stabilisation structurelle d'un système de matériaux induit par l'entropie a formé une méthode efficace pour créer divers matériaux à haute entropie avec une composition au-delà de la limite de solubilité pour fournir une gamme variée de propriétés pour performances optimisées.

Les structures stabilisées maintenaient un ordre d'arrangement atomique à longue distance pour former un réseau de transport électrique. Le désordre à courte portée dans les matériaux à entropie élevée a provoqué une forte dispersion des phonons porteurs de chaleur par le désordre du réseau, ce qui a abaissé la conductivité thermique du réseau des matériaux à haute entropie, pour donner ensuite des propriétés de transport thermique avec différence de température dans le mode thermo-électrique. Les chercheurs avaient précédemment noté une amélioration des performances thermoélectriques sur une gamme de matériaux à haute entropie. Cependant, Jang et al. reste à comprendre la relation entre l'entropie configurationnelle, microstructure et propriétés thermoélectriques. Par exemple, la solubilité dans les matériaux est limitée en raison des différences de taille et de masse entre les atomes de soluté et de solvant, ce qui rend difficile la réalisation d'alliages à haute entropie en augmentant simplement la teneur en alliage. L'équipe a ensuite étudié le contenu élémentaire des matériaux à l'aide de modèles de diffraction des rayons X (XRD) et de cartographie par spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS). Ils ont recherché des matériaux avec des compositions au-delà de la limite de solubilité pour fournir une gamme variée pour des performances optimales. Pour confirmer davantage l'architecture et l'homogénéité des matériaux, ils ont effectué une analyse à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF) et une analyse EDS à rayons X atomique avec microscopie électronique à transmission à balayage (STEM). Les résultats ont montré que la distribution de tous les éléments était homogène de l'échelle micro à l'échelle nanométrique. En utilisant des mappages EDS ultra-haute résolution, Jang et al. clarifié davantage les réseaux atomiques et les positions de chaque élément, où les arrangements atomiques bien définis étaient distincts des matériaux amorphes.

Stabilisation entraînée par l'entropie

Au cours du processus de stabilisation induite par l'entropie, ils ont obtenu un arrangement atomique bien entretenu, mais la forte inadéquation de la taille atomique a compromis le réseau pour affecter fortement le processus de transport thermique. L'équipe a mesuré le changement de souches de faible entropie à haute entropie à l'aide d'échantillons et a montré comment les résultats ont triplé au cours du processus. Ils ont ensuite utilisé la diffraction électronique par nanofaisceau (NBED) pour détecter les contraintes du réseau et ont étudié la contrainte à l'échelle atomique en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage et le champ sombre annulaire à grand angle (STEM-HAADF). La stabilisation structurelle induite par l'entropie dans le système de matériaux a travaillé avec le réseau fortement déformé pour effectuer le transport électrique et thermique dans le matériau. Lorsque Jang et al. introduit plus tard de l'étain (Sn) dans un matériau, ils ont conservé la stabilité électronique et ont noté comment une bande interdite réduite plutôt qu'une entropie élevée entraînait une excitation intrinsèque à haute température.

Perspectives

De cette façon, Binbin Jian et ses collègues ont montré une méthode pour former différents matériaux thermoélectriques à haute entropie via une stabilisation structurelle entraînée par l'entropie avec des propriétés de transport électrique qui sont bien maintenues par la structure stabilisée. Les grandes déformations du réseau fortement déformé dans les matériaux à haute entropie ont fourni une forte diffusion pour les phonons caloporteurs, ainsi contribuer à une conductivité thermique de réseau ultra-faible. Ces résultats ont permis d'améliorer les fonctions de température pour les matériaux à haute entropie, ainsi qu'une efficacité de conversion thermique élevée au cours des expériences. Le travail donne un aperçu de l'ingénierie de l'entropie pour les matériaux et modules thermoélectriques à hautes performances en tant que voie attrayante pour développer des matériaux fonctionnels à hautes performances.

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