Un effet de cliquetis collectif récemment découvert dans un type de semi-conducteur cristallin bloque la plupart des transferts de chaleur tout en préservant une conductivité électrique élevée - un appariement rare qui, selon les scientifiques, pourrait réduire l'accumulation de chaleur dans les appareils électroniques et les moteurs à turbine, entre autres applications possibles.

Une équipe dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a découvert ces traits exotiques dans une classe de matériaux connus sous le nom de pérovskites aux halogénures, qui sont également considérés comme des candidats prometteurs pour les panneaux solaires de nouvelle génération, lasers nanométriques, refroidissement électronique, et affichages électroniques.

Ces propriétés thermiques et électriques (ou "thermoélectriques") interdépendantes ont été trouvées dans des fils nanométriques d'iodure d'étain de césium (CsSnI 3 ). Il a été observé que le matériau avait l'un des niveaux de conductivité thermique les plus bas parmi les matériaux à structure cristalline continue.

Ce matériau dit monocristallin peut également être produit plus facilement en grande quantité que les matériaux thermoélectriques classiques, comme le silicium-germanium, les chercheurs ont dit.

"Ses propriétés proviennent de la structure cristalline elle-même. C'est une sorte de phénomène atomique, " dit Woochul Lee, un chercheur postdoctoral au Berkeley Lab qui était l'auteur principal de l'étude, publié la semaine du 31 juillet dans le Actes de l'Académie nationale des sciences journal. Il s'agit des premiers résultats publiés concernant les performances thermoélectriques de ce matériau monocristallin.

Les chercheurs pensaient plus tôt que les propriétés thermiques du matériau étaient le produit d'atomes "en cage" secouant dans la structure cristalline du matériau, comme cela avait été observé dans d'autres matériaux. Un tel cliquetis peut servir à perturber le transfert de chaleur dans un matériau.

"Nous avons d'abord pensé qu'il s'agissait d'atomes de césium, un élément lourd, se déplacer dans la matière, " dit Peidong Yang, un chercheur principal de la faculté à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab qui a dirigé l'étude.

Jeffrey Grossman, chercheur au Massachusetts Institute of Technology, ensuite effectué des travaux théoriques et des simulations informatisées qui ont permis d'expliquer ce que l'équipe avait observé. Les chercheurs ont également utilisé la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, spécialisée dans la recherche à l'échelle nanométrique, dans l'étude.

"Nous pensons qu'il existe essentiellement un mécanisme de cliquetis, pas seulement avec le césium. C'est la structure globale qui tremble; c'est un cliquetis collectif, " a déclaré Yang. " Le mécanisme de cliquetis est associé à la structure cristalline elle-même, " et n'est pas le produit d'une collection de minuscules cages de cristal. " C'est un mouvement atomique de groupe, " il ajouta.

Dans la structure cristalline du matériau, la distance entre les atomes diminue et augmente de manière collective, ce qui empêche la chaleur de circuler facilement.

Mais parce que le matériel est composé d'un ordonné, structure monocristalline, le courant électrique peut encore le traverser malgré ce cliquetis collectif. Imaginez que sa conductivité électrique est comme un sous-marin voyageant en douceur dans des courants sous-marins calmes, tandis que sa conductivité thermique est comme un voilier ballotté dans une mer agitée à la surface.

Yang a déclaré que deux applications majeures des matériaux thermoélectriques sont dans le refroidissement, et en convertissant la chaleur en courant électrique. Pour ce matériau particulier d'iodure d'étain de césium, les applications de refroidissement telles qu'un revêtement pour aider à refroidir les capteurs de caméras électroniques peuvent être plus faciles à réaliser que la conversion chaleur-électricité, il a dit.

Un défi est que le matériau est très réactif à l'air et à l'eau, il nécessite donc un revêtement protecteur ou une encapsulation pour fonctionner dans un appareil.

L'iodure d'étain de césium a été découvert pour la première fois en tant que matériau semi-conducteur il y a des décennies, et ce n'est que ces dernières années qu'il a été redécouvert pour ses autres traits uniques, dit Yang. "Cela s'avère être une mine d'or incroyable de propriétés physiques, " il a noté.

Pour mesurer la conductivité thermique du matériau, les chercheurs ont ponté deux îlots d'un matériau d'ancrage avec un nanofil d'iodure d'étain de césium. Le nanofil était connecté à chaque extrémité à des micro-îlots qui servaient à la fois de radiateur et de thermomètre. Les chercheurs ont chauffé l'une des îles et mesuré avec précision comment le nanofil transportait la chaleur vers l'autre île.

Ils ont également effectué une microscopie électronique à balayage pour mesurer avec précision les dimensions du nanofil. Ils ont utilisé ces dimensions pour fournir une mesure précise de la conductivité thermique du matériau. L'équipe a répété l'expérience avec plusieurs matériaux de nanofils différents et plusieurs échantillons de nanofils pour comparer les propriétés thermoélectriques et vérifier les mesures de conductivité thermique.

"Une prochaine étape consiste à allier ce matériau (l'iodure d'étain césium), " Lee a dit. "Cela peut améliorer les propriétés thermoélectriques."

Aussi, tout comme les fabricants de puces informatiques implantent une succession d'éléments dans des plaquettes de silicium pour améliorer leurs propriétés électroniques - un processus connu sous le nom de "dopage" - les scientifiques espèrent utiliser des techniques similaires pour exploiter plus pleinement les caractéristiques thermoélectriques de ce matériau semi-conducteur. C'est un territoire relativement inexploré pour cette classe de matériaux, dit Yang.