Les cristaux de whisker de Ta4SiTe4 (en bas à gauche) montrent une très grande puissance thermoélectrique dépassant -400 μV K-1 à basse température, tout en maintenant une faible résistivité électrique (en haut à droite). Cela se traduit par ce facteur de puissance thermoélectrique (en bas à droite), une indication de la puissance frigorifique, devient une valeur très élevée dépassant de loin celles des matériaux pratiques (typiquement 40 µW cm-1 K-2 pour le matériau à base de Bi2Te3). La température optimale du facteur de puissance peut être largement contrôlée par dopage au molybdène (Mo) ou à l'antimoine (Sb). Crédit :Université de Nagoya
Le refroidissement thermoélectrique est un processus de réfrigération à l'état solide où la chaleur dans un matériau électriquement conducteur est transférée à l'aide des propres électrons de conduction du matériau sans avoir besoin de réfrigérants gazeux, tels que les chlorofluorocarbures, qui sont utilisés dans la réfrigération conventionnelle. Les refroidisseurs basés sur la technologie thermoélectrique peuvent être réduits en taille sans modifier leur efficacité de conversion d'énergie thermique en électrique, ce qui constitue un avantage majeur pour le refroidissement localisé de petits appareils électroniques. Cet effet est déjà utilisé pour le contrôle de la température dans des appareils tels que les capteurs infrarouges et les diodes laser, et a également été utilisé pour fournir une réfrigération à basse température pour les dispositifs électroniques cryogéniques tels que les capteurs supraconducteurs.
Cependant, le manque de matériaux avec une efficacité thermoélectrique appropriée pour des applications de refroidissement pratiques à des températures inférieures à 250 K (environ -23 ° C) a conduit les chercheurs de l'Université de Nagoya à examiner l'efficacité de nouveaux composés pour des applications vraiment à basse température.
"Nous avons étudié les propriétés thermoélectriques de cristaux de type whisker composés d'un composé de tantale, silicium et tellure, " dit l'auteur correspondant Yoshihiko Okamoto du département de physique appliquée de l'université de Nagoya. " Ces cristaux ont produit des puissances thermoélectriques très élevées sur une large plage de températures, du niveau cryogénique de 50 K (soit environ -223°C) jusqu'à la température ambiante, mais a toujours maintenu la faible résistivité électrique nécessaire pour les applications de refroidissement pratiques. » Les échantillons qui ont été cultivés pour les expériences comprenaient du Ta4SiTe4 pur et d'autres cristaux chimiquement dopés avec de faibles niveaux de molybdène et d'antimoine.
Diverses propriétés des matériaux ont été mesurées pour les échantillons, y compris l'énergie thermoélectrique, résistivité électrique, et conductivité thermique, comparer les effets des deux dopants sur leurs caractéristiques thermoélectriques. "Nous avons mesuré un facteur de puissance thermoélectrique très élevé à une température optimale de 130 K, " ajoute Okamoto. " Cependant, cette température optimale pourrait être contrôlée sur une très large gamme en faisant varier le dopage chimique, et indique que ces cristaux sont adaptés à une utilisation pratique à basse température."
L'ajout d'aussi peu que 0,1 pour cent de dopage au molybdène a entraîné une diminution spectaculaire de la résistivité des cristaux de type tellurure à basse température, tandis qu'ils ont également démontré des puissances thermoélectriques élevées qui étaient étroitement liées aux structures électroniques fortement unidimensionnelles des matériaux. Les facteurs de puissance des cristaux à température ambiante dépassaient largement les valeurs correspondantes des alliages conventionnels à base de Bi2Te3 couramment utilisés dans les applications thermoélectriques, et ces cristaux représentent ainsi une voie très prometteuse vers le développement de solutions de refroidissement thermoélectriques performantes à très basses températures.
