Le séléniure d'étain monocristallin (SnSe) est un semi-conducteur et un matériau thermoélectrique idéal; il peut directement convertir la chaleur perdue en énergie électrique ou être utilisé pour le refroidissement. Lorsqu'un groupe de chercheurs de la Case Western Reserve University à Cleveland, Ohio, vu la structure cristalline en couches de type graphène de SnSe, ils avaient un de ces « aha ! des moments.

Le groupe rapporte dans le Journal de physique appliquée , qu'ils ont immédiatement reconnu le potentiel de ce matériau à être fabriqué sous forme de nanostructures. "Notre laboratoire a travaillé sur des semi-conducteurs bidimensionnels avec des structures en couches similaires au graphène, " dit Xuan Gao, professeur agrégé à Case Western.

Les nanomatériaux aux dimensions nanométriques, telles que l'épaisseur et la taille des grains, ont des propriétés thermoélectriques favorables. Cela a inspiré les chercheurs à cultiver des nanoflocons d'épaisseur nanométrique et des films minces de SnSe pour étudier plus avant ses propriétés thermoélectriques.

Les travaux du groupe portent sur l'effet thermoélectrique. Ils étudient comment la différence de température dans un matériau peut amener les porteurs de charge - électrons ou trous - à redistribuer et à générer une tension à travers le matériau, convertir l'énergie thermique en électricité.

"L'application d'une tension sur un matériau thermoélectrique peut aussi conduire à un gradient de température, ce qui signifie que vous pouvez utiliser des matériaux thermoélectriques pour le refroidissement, " dit Gao. " En général, les matériaux avec un facteur de mérite élevé ont une conductivité électrique élevée, un coefficient Seebeck élevé (tension générée par Kelvin de différence de température dans un matériau) et une faible conductivité thermique, " il a dit.

Une figure de mérite thermoélectrique, ZT, indique l'efficacité avec laquelle un matériau convertit l'énergie thermique en énergie électrique. Les travaux du groupe portent sur le facteur de puissance, qui est proportionnel à ZT et indique la capacité d'un matériau à convertir l'énergie, ils ont donc mesuré le facteur de puissance des matériaux qu'ils fabriquaient.

Pour faire croître des nanostructures SnSe, ils ont utilisé un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ils ont évaporé thermiquement une source de poudre de séléniure d'étain à l'intérieur d'un tube de quartz sous vide. Les atomes d'étain et de sélénium réagissent sur une plaquette de croissance de silicium ou de mica placée dans la zone à basse température du tube de quartz. Cela provoque la formation de nanoflocons de SnSe à la surface de la plaquette. L'ajout d'un élément dopant comme l'argent aux films minces de SnSe lors de la synthèse du matériau peut optimiser davantage ses propriétés thermoélectriques.

Au début, « les films minces de nanostructure SnSe que nous avons fabriqués avaient un facteur de puissance de seulement environ 5 % de celui du SnSe monocristallin à température ambiante, " dit Shuhao Liu, un auteur sur le papier. Mais, après avoir essayé une variété de dopants pour améliorer le facteur de puissance du matériau, ils ont déterminé que « l'argent était le plus efficace, entraînant une amélioration du facteur de puissance de 300 % par rapport aux échantillons non dopés, " Liu a dit. " Le film mince nanostructuré SnSe dopé à l'argent est prometteur pour une haute figure de mérite. "

À l'avenir, le chercheur espère que les nanostructures SnSe et les films minces pourront être utiles pour des miniaturisés, écologique, appareils thermoélectriques et de refroidissement à faible coût.