(a) Dans les semi-conducteurs conventionnels, les électrons circulent du côté chaud vers le côté froid avec une faible mobilité causée par une impureté ionisée. (b) Dans le semi-conducteur nouvellement développé sans l'impureté, 2DEG peut circuler avec une grande mobilité. Crédit :Ohta H. et al., Sciences avancées, 20 novembre 2017
Plus de 60 % de l'énergie produite par les combustibles fossiles est perdue sous forme de chaleur. La conversion d'énergie thermoélectrique a attiré beaucoup d'attention en tant que moyen de convertir la chaleur résiduelle des centrales électriques, usines et voitures en électricité. Cependant, les technologies actuellement disponibles doivent être améliorées pour devenir viables à l'échelle industrielle.
Des chercheurs de l'Université d'Hokkaido au Japon ont proposé l'utilisation d'électrons à haute mobilité générés à une interface semi-conductrice appelée gaz d'électrons 2-D (2DEG), ce qui peut améliorer la capacité des matériaux thermoélectriques à convertir l'énergie thermique en électricité.
Les chercheurs ont réalisé un transistor sur le 2DEG à l'interface entre deux matériaux semi-conducteurs, le nitrure d'aluminium et de gallium et le nitrure de gallium. Lorsqu'un champ électrique a été appliqué, les concentrations de 2DEG pourraient être modulées sans réduire sa grande mobilité. Le "facteur de puissance" du 2DEG, " qui est une mesure de sa puissance électrique, est deux à six fois plus élevé que la plupart des matériaux thermoélectriques de pointe.
Une conversion thermoélectrique efficace de l'énergie nécessite des matériaux à haute conductivité électrique, faible conductivité thermique, et une grande puissance thermique qui est une haute tension produite en réponse à la différence de températures à travers le matériau.
(Haut) Illustration schématique du transistor, qui peut contrôler la densité de 2DEG à l'interface entre AlGaN et GaN. (En bas) Photographie du transistor pendant la mesure. Crédit :Ohta H. et al., Sciences avancées, 20 novembre 2017
Les techniques actuelles de nanostructuration sont parvenues à réduire significativement la conductivité thermique de ces matériaux, améliorant ainsi leurs performances. Un facteur de puissance élevé est également nécessaire pour une production d'électricité efficace, mais son amélioration a été limitée car elle nécessite d'augmenter simultanément la thermopuissance d'un matériau et sa conductivité électrique, ce qui est difficile. La conductivité électrique est restée faible en raison des impuretés ionisées dans le matériau qui suppriment la mobilité des électrons.
L'application d'un champ électrique au transistor fabriqué par les chercheurs de l'université d'Hokkaido permet de moduler à la fois la thermopuissance du matériau et sa conductivité électrique sans supprimer sa grande mobilité.
"Bien que l'appareil ne puisse pas être utilisé comme générateur thermoélectrique car il est trop fin, l'approche gaz d'électrons 2-D devrait ouvrir des voies pour améliorer encore les performances des matériaux thermoélectriques de pointe, " dit Hiromichi Ohta, l'auteur principal de l'étude publiée dans la revue Sciences avancées .
