Les appareils thermoélectriques sont très polyvalents, avec la possibilité de convertir la chaleur en électricité, et l'électricité en chaleur. Ils sont petits, poids léger, et extrêmement durables car ils n'ont pas de pièces mobiles, c'est pourquoi ils ont été utilisés pour propulser les vaisseaux spatiaux de la NASA sur des missions à long terme, y compris les sondes spatiales Voyager lancées en 1977.

Parce que l'application d'un courant électrique à un thermoélectrique provoque la diffusion de particules chargées du côté chaud du matériau vers leur côté froid, ils sont largement utilisés dans les applications de refroidissement pour extraire la chaleur des systèmes, comme dans les pompes à chaleur, dispositifs à fibre optique, et sièges d'auto—et pour contrôler la température des blocs-batteries. Le processus est également réversible et peut récupérer efficacement la "chaleur perdue" pour générer de l'électricité utile à partir de surfaces chaudes, comme le tuyau d'échappement d'un véhicule.

Malgré leur polyvalence et leur fiabilité, l'utilisation de la technologie thermoélectrique dans de nombreuses applications reste un défi, en raison de leur coût relativement élevé et de leur inefficacité par rapport aux systèmes conventionnels d'alimentation électrique et de chauffage ou de refroidissement. Pour une efficacité maximale, les thermoélectriques doivent être à la fois de bons conducteurs d'électricité et de mauvais conducteurs de chaleur, propriétés que l'on trouve rarement dans le même matériau.

Des ingénieurs de l'Université Duke utilisent des techniques de diffusion de neutrons froids (à basse énergie) au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) pour étudier les mouvements vibrationnels des atomes, appelé "phonons, " c'est ainsi que la chaleur se propage à travers les matériaux thermoélectriques. En comprenant comment les phonons se déplacent et sont dispersés dans les thermoélectriques, les scientifiques espèrent à terme contrôler le transport des phonons et des électrons pour améliorer la conductivité électrique tout en minimisant le flux de chaleur.

"Nous utilisons des neutrons pour étudier les matériaux thermoélectriques, parce que nous pouvons accorder leurs énergies pour correspondre à l'énergie inférieure des phonons, qui offre une résolution plus élevée, " a déclaré Tyson Lanigan-Atkins, un doctorat étudiant à Duke, dans un groupe travaillant sous Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux. « Les neutrons nous permettent également de mener des recherches dans des environnements d'échantillons plus complexes, comme l'encapsulation personnalisée que nous utilisons dans un environnement à haute température."

Parmi les matériaux thermoélectriques utilisés dans les expériences se trouvait un monocristal de séléniure de plomb, qui a été l'un des premiers alliages étudiés et commercialisés pour les générateurs thermoélectriques. Les scientifiques se sont intéressés à la transition de phase structurelle du matériau à haute température, en raison du couplage unique entre les vibrations électroniques et les vibrations du réseau dans le système, et l'influence de cette transition sur la conductivité thermique.

Tout en menant leurs recherches sur la ligne de faisceaux de neutrons du spectromètre à trois axes à neutrons froids (CTAX) du réacteur à isotopes à haut flux (HFIR) de l'ORNL, les scientifiques devaient aligner les gros cristaux à un ou deux degrés les uns des autres. Ils ont rencontré plusieurs défis d'ingénierie dans la conception de leur expérience, y compris le développement d'un porte-échantillon pour positionner correctement les cristaux encapsulés dans le faisceau de neutrons.

"Le matériau devient très instable - il commence essentiellement à s'évaporer - dans des conditions de vide et dans des environnements gazeux courants, ce qui est généralement la façon dont nous effectuons des expériences à haute température, " a déclaré Jennifer Niedziela, spectroscopiste vibrationnel à la direction des Sciences et Génie Nucléaires de l'ORNL et ancien chercheur postdoctoral dans l'équipe Delaire. « En anticipant ces problèmes, nous avons enfermé les échantillons dans des capsules de quartz pour maintenir une atmosphère contrôlée autour de l'échantillon, ce qui nous a permis d'étudier la dynamique des phonons. Cela met en évidence un autre avantage de la diffusion des neutrons dans la mesure où nous pouvons mettre beaucoup de matière sur le trajet du faisceau de neutrons, comme le quartz, laine, et fils, et encore voir les signaux qui nous intéressent."

La conception du porte-échantillon a subi plusieurs itérations pour s'assurer que les chercheurs pouvaient chauffer l'échantillon en toute sécurité. Ils ont consulté des experts de la verrerie ORNL, qui a fait la capsule de quartz, et le laboratoire d'environnement d'échantillonnage, ainsi que des experts en matériaux haute température, pour s'assurer qu'ils pourraient concevoir un support qui répondrait aux objectifs des chercheurs. Chaque support devait être conçu pour retenir le cristal dans une orientation fixe et s'adapter dans une zone relativement petite dans l'environnement de l'échantillon à haute température. Si l'échantillon devait se déplacer, ils risquaient de court-circuiter le four et de le faire éteindre.

Les efforts précédents pour résoudre les largeurs de raie des phonons acoustiques inférieures à 1,0 milli-électron-volt (meV) n'ont pas été couronnés de succès en raison des limites de résolution des instruments à neutrons utilisés. Cependant, les neutrons froids délivrés par la ligne CTAX sont bien adaptés à la mesure à haute résolution de la dynamique du réseau dans les solides cristallins ayant un rapport signal sur bruit élevé, tels que les matériaux thermoélectriques. "En utilisant le spectromètre à trois axes du CTAX, nous avons obtenu d'excellentes données sur la largeur de raie des phonons acoustiques en dessous de 1,0 meV dans un régime à haute température, " dit Niedziela.

Les mesures de diffusion des neutrons ont permis au groupe de recherche Duke d'obtenir des résultats uniques, des informations puissantes sur les phénomènes microscopiques de transport de chaleur dans les matériaux qui sont importants pour les applications énergétiques.