Les matériaux thermoélectriques (TE) pourraient jouer un rôle clé dans les technologies futures. Bien que les applications de ces composés remarquables aient été explorées depuis longtemps, ils sont principalement limités aux appareils à haute température. Récemment, chercheurs de l'université d'Osaka, en collaboration avec Hitachi, Ltd., développé un nouveau matériau TE avec un facteur de puissance amélioré à température ambiante. Leur étude, Publié dans Statut Physica Solidi RRL , pourrait aider à sortir ces matériaux du créneau des hautes températures et à les intégrer au grand public.

Les matériaux TE présentent l'effet thermoélectrique :appliquez de la chaleur d'un côté, et un courant électrique commence à circuler. Inversement, faire passer un courant externe à travers l'appareil, et un gradient de température se forme; c'est à dire., un côté devient plus chaud que l'autre. En interconvertissant chaleur et électricité, Les matériaux TE peuvent être utilisés comme générateurs d'électricité (avec une source de chaleur) ou comme réfrigérateurs (avec une alimentation électrique).

Le matériau TE idéal combine une conductivité électrique élevée, laisser passer le courant, à faible conductivité thermique, ce qui empêche le gradient de température de s'atténuer. Les performances de production d'électricité dépendent principalement du "facteur de puissance, " qui est proportionnel à la fois à la conductivité électrique et à un terme appelé coefficient de Seebeck.

"Malheureusement, la plupart des matériaux TE sont souvent à base d'éléments rares ou toxiques, " explique le co-auteur Sora-at Tanusilp. " Pour résoudre ce problème, nous avons combiné le silicium - qui est courant dans les matériaux TE - avec l'ytterbium, pour créer du siliciure d'ytterbium [YbSi 2 ]. Nous avons choisi l'ytterbium plutôt que d'autres métaux pour plusieurs raisons. D'abord, ses composés sont de bons conducteurs électriques. Seconde, YbSi 2 est non toxique. De plus, ce composé a une propriété spécifique appelée fluctuation de valence qui en fait un bon matériau TE à basse température."

Le premier avantage de YbSi 2 est que les atomes Yb occupent un mélange d'états de valence, à la fois +2 et +3. Cette fluctuation, également connu sous le nom de résonance Kondo, augmente le coefficient Seebeck en maintenant une conductivité électrique élevée semblable à un métal à basse température, et donc le facteur de puissance.

Seconde, YbSi 2 a une structure en couches inhabituelle. Alors que les atomes Yb occupent des plans cristallins similaires au métal Yb pur, les atomes de Si forment des feuillets hexagonaux entre ces plans, ressemblant aux feuilles de carbone en graphite. Cela bloque la conduction de la chaleur à travers le matériau, et maintient donc la conductivité thermique à un niveau bas, préserver le gradient de température. Les chercheurs pensent que la conduction thermique est encore supprimée en contrôlant la structure à l'échelle nanométrique et les traces d'impuretés et d'autres défauts.

Le résultat est un facteur de puissance élevé encourageant de 2,2 mWm ^-1 K ^-2 à température ambiante. Ceci est compétitif avec les matériaux TE conventionnels à base de tellurure de bismuth. Comme l'explique l'auteur correspondant de cette étude, Ken Kurosaki, « L'utilisation de l'Yb montre que nous pouvons concilier les besoins contradictoires des matériaux TE en sélectionnant soigneusement les bons métaux. TE à température ambiante, avec une puissance modérée, peut être considérée comme complémentaire à la haute température conventionnelle, appareils à haute puissance. Cela pourrait aider à débloquer les avantages de TE dans la technologie de tous les jours. »