La recherche de nouveaux matériaux plus efficaces impliquant des compositions chimiques complexes a demandé beaucoup de travail, nécessitant des tests expérimentaux de chaque nouvelle composition multi-matériaux proposée, et a souvent impliqué l'utilisation d'éléments toxiques ou rares. Dans un article publié dans la revue Science , des chercheurs de l'Université de Houston et de l'Université Rice rapportent une nouvelle approche pour prédire la réalisation de la convergence de bande dans une série de matériaux.

Après avoir démontré qu'un matériau ainsi conçu, un composé Zintl de type p, offrirait des performances thermoélectriques très efficaces, ils ont fabriqué un module thermoélectrique et ont signalé un rendement de conversion de chaleur en électricité supérieur à 10 % à une différence de température de 475 Kelvin. ou environ 855 degrés Fahrenheit.

Zhifeng Ren, directeur du Texas Center for Superconductivity à l'UH (TcSUH) et auteur correspondant de l'article, a déclaré que les performances des matériaux sont restées stables pendant plus de deux ans.

Bien que diverses approches aient été utilisées pour améliorer l'efficacité, un concept connu sous le nom de convergence de bande électronique a attiré l'attention en raison de son potentiel à améliorer les performances thermoélectriques.

"Il est normalement difficile d'obtenir des performances élevées avec des matériaux thermoélectriques, car toutes les bandes électroniques d'un matériau n'y contribuent pas", a déclaré Ren. "Il est encore plus difficile de réaliser un matériel complexe où tous les groupes travaillent en même temps afin d'obtenir la meilleure performance."

Pour ce travail, a-t-il expliqué, les scientifiques se sont d'abord concentrés sur la conception d'un calcul permettant de déterminer comment construire un matériau dans lequel toutes les différentes bandes d'énergie peuvent contribuer à la performance globale. Ils ont ensuite démontré que le calcul fonctionnait aussi bien en pratique qu'en théorie, en construisant un module pour vérifier davantage les hautes performances obtenues au niveau de l'appareil.

La convergence de bande est considérée comme une bonne approche pour améliorer les matériaux thermoélectriques car elle augmente le facteur de puissance thermoélectrique, qui est lié à la puissance de sortie réelle du module thermoélectrique. Mais jusqu'à présent, la découverte de nouveaux matériaux présentant une forte convergence de bandes prenait du temps et entraînait de nombreux faux départs.

"L'approche standard est celle des essais et des erreurs", a déclaré Ren, qui est également titulaire de la chaire Paul C.W. Chu et May P. Chern en physique de la matière condensée à l'UH. "Au lieu de faire beaucoup d'expériences, cette méthode nous permet d'éliminer les possibilités inutiles qui ne donneront pas de meilleurs résultats."

Pour prédire efficacement comment créer le matériau le plus efficace, les chercheurs ont utilisé un alliage Zintl à haute entropie, YbxCa_1-x. MgyZn_2-y Sb₂ , à titre d'étude de cas, en concevant une série de compositions grâce auxquelles la convergence des bandes a été obtenue simultanément dans toutes les compositions.

Ren a décrit comment cela fonctionne comme ceci :Si une équipe de 10 personnes essaie de soulever un objet, les membres les plus grands porteront la majeure partie de la charge tandis que les membres les plus petits ne contribueront pas autant. Dans le cadre de la convergence des groupes, l'objectif est de rendre tous les membres de l'équipe du groupe plus semblables (les membres de grande taille seraient plus petits, dans cet exemple, et les membres de petite taille plus grands), afin que tous puissent contribuer à supporter la charge globale.

Ici, les chercheurs ont commencé avec quatre composés parents contenant cinq éléments au total (ytterbium, calcium, magnésium, zinc et antimoine) et ont effectué des calculs pour déterminer quelles combinaisons de composés parents pourraient atteindre une convergence de bande. Une fois cela déterminé, ils ont choisi la meilleure parmi ces compositions hautes performances pour construire le dispositif thermoélectrique.

"Sans cette méthode, vous devrez expérimenter et essayer toutes les possibilités", a déclaré Xin Shi, étudiant diplômé de l'UH dans le groupe de Ren et auteur principal de l'article. "Il n'y a pas d'autre moyen de faire cela. Maintenant, nous faisons d'abord un calcul, nous concevons un matériau, puis nous le fabriquons et le testons."

La méthode de calcul pourrait également être utilisée pour d’autres matériaux multi-composés, permettant ainsi aux chercheurs d’utiliser cette approche pour créer de nouveaux matériaux thermoélectriques. Une fois les composés parents appropriés identifiés, le calcul détermine quel rapport de chacun doit être utilisé dans l'alliage final.

Outre Ren et Shi, les auteurs de l'article comprennent le Dr Shaowei Song, chercheur au Texas Center for Superconductivity, et le Dr Guanhui Gao du Département de science des matériaux et de nano-ingénierie de Rice. Gao est maintenant à l'UH.