Ingénieurs en mécanique à l'Université de Californie, Bord de rivière, ont rapporté avoir réussi à utiliser des matériaux peu coûteux pour produire des dispositifs thermoélectriques qui transforment la chaleur résiduelle de faible activité en électricité.

Leur avancée pourrait permettre une grande variété d'applications commerciales. Par exemple, l'intégration de dispositifs de génération thermoélectrique dans des puces informatiques pourrait permettre à la chaleur qu'ils produisent de fournir une source d'énergie. La chaleur résiduelle des moteurs automobiles pourrait faire fonctionner l'électronique d'une voiture et assurer le refroidissement. Les cellules solaires photovoltaïques pourraient être rendues plus efficaces en exploitant la chaleur de la lumière du soleil qui les frappe pour générer plus d'électricité.

Aussi, utilisant la même technologie de base, des réfrigérateurs thermoélectriques économiques pourraient être produits qui seraient plus économes en énergie et avec moins de pièces mobiles que les réfrigérateurs qui utilisent des compresseurs et du liquide de refroidissement. Les réfrigérateurs thermoélectriques actuels sont chers et relativement inefficaces. En substance, ils fonctionnent à l'inverse des générateurs thermoélectriques, avec un courant électrique appliqué pour générer un gradient de température qui pourrait être utilisé dans le refroidissement.

Alors que les générateurs thermoélectriques ont été très fiables, par exemple pour alimenter des sondes spatiales telles que le vaisseau spatial Voyager pendant des décennies, leur utilisation a été limitée par le coût et la complexité des matériaux dont ils avaient besoin.

Cependant, chercheurs dirigés par le professeur adjoint de génie mécanique Sandeep Kumar, ont rapporté avoir obtenu une conversion d'énergie thermoélectrique significative en utilisant une combinaison d'un alliage nickel-fer et de silicium. L'article scientifique sur leurs résultats a récemment été publié en ligne dans la revue Physica Status Solidi-Rapid Research Letters. Les co-auteurs de l'article étaient les étudiants diplômés Ravindra Bhardwaj et Paul Lou.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont construit un sandwich super mince à deux couches de permalloy nickel-fer et une forme de silicium appelée silicium de type p. La couche de Permalloy avait une épaisseur de 25 nanomètres, et les chercheurs ont produit des dispositifs dans lesquels la couche de silicium avait des épaisseurs de 100 nanomètres, 25 nanomètres et 5 nanomètres. Par comparaison, un cheveu humain a une épaisseur d'environ 200 microns.

Lorsque les chercheurs ont appliqué de la chaleur sur la couche de Permalloy, ils ont pu produire une tension électrique dans le sandwich, en raison d'un phénomène physique récemment découvert connu sous le nom d'effet spin-Seebeck. A cet effet, un gradient de température génère un courant de spin à partir de la substance ferromagnétique, produire une tension électrique dans le silicium. La tension accrue produite dans l'appareil était due à un mécanisme appelé "couplage spin-orbite Rashba".

Les chercheurs ont atteint l'une des plus grandes tensions de ce type jamais mesurées dans l'appareil avec la couche de silicium de 5 nanomètres d'épaisseur.

"De tels appareils seront capables de générer de l'électricité dans n'importe quelle situation dans laquelle il y a de petits gradients de température, " dit Kumar. " Car, Exemple, une puce informatique chauffe généralement jusqu'à environ soixante degrés centigrades, tandis que la température ambiante peut être de vingt-cinq degrés. Donc, de tels générateurs thermoélectriques de spin intégrés dans des puces informatiques pourraient générer des quantités importantes d'électricité à partir de chaleur qui seraient autrement gaspillées. »

"Aussi, les panneaux solaires photovoltaïques deviennent assez chauds, Ainsi, l'intégration de générateurs thermoélectriques dans de tels panneaux pourrait générer de l'électricité supplémentaire à partir de cette chaleur perdue, ", a-t-il déclaré. "Les générateurs thermoélectriques pourraient également être intégrés dans les automobiles, où les températures des moteurs peuvent atteindre une centaine de degrés centigrades, par rapport à une température ambiante de vingt-cinq degrés. Dans une telle application, l'électricité générée pourrait alimenter l'électronique de la voiture et même fournir un refroidissement."

Les dernières expériences ne constituent que le début du développement de la nouvelle technologie thermoélectrique, dit Kumar, qui a ajouté qu'un brevet provisoire pour la découverte a été déposé.

"Nous n'avons fait qu'effleurer la surface des possibilités, " Il a dit. " Nous pensons que nous pouvons générer encore plus d'énergie à partir du même gradient de température en utilisant plusieurs couches, tout comme l'assemblage des batteries augmente la production d'énergie. Et, nous explorons d'autres terres abondantes, matériaux peu coûteux qui pourraient s'avérer efficaces dans les dispositifs thermoélectriques de spin."

Le titre de l'article est "Amélioration géante de l'effet spin-Seebeck Rashba dans les films minces NiFe/p-Si".