Fig. 1 :(à gauche) Schéma de la structure cristalline en couches de SnSe. (Droite) Dépendance de la pression du facteur de puissance thermoélectrique à 150 K et 300 K pour SnSe. L'encart montre l'illustration schématique du changement correspondant dans la topologie de la vallée dans SnSe. Crédit :Université d'Osaka
Des chercheurs de l'Université d'Osaka ont pu augmenter de plus de 100 % le facteur de puissance d'un matériau thermoélectrique prometteur en faisant varier la pression, ouvrant la voie à de nouveaux matériaux aux propriétés thermoélectriques améliorées. Les matériaux thermoélectriques ont la capacité unique de générer de l'électricité à partir des différences de température et pourraient donc potentiellement être utilisés pour convertir la chaleur autrement gaspillée (comme la chaleur des ordinateurs portables ou des serveurs chauds) en électricité utilisable.
En plus d'améliorer les propriétés thermoélectriques d'un matériau, les chercheurs ont révélé que les propriétés thermoélectriques du matériau proviennent d'une transition dans la topologie de la structure de la bande électronique, que l'on appelle la transition de Lifshitz. Cette transition diffère de la transition de phase classique de type Landau, car il se produit sans aucune brisure de symétrie. Les chercheurs ont longtemps eu des raisons de croire que la transition de Lifshitz joue un rôle crucial dans de nombreux phénomènes quantiques, comme la supraconductivité, magnétisme complexe, et propriétés thermoélectriques, mais ils manquaient de preuves directes.
Dans cette nouvelle étude, Des chercheurs de l'Université d'Osaka ont montré un lien direct entre la transition de Lifshitz et les propriétés physiques d'un matériau thermoélectrique. "Nous avons pu suivre la transition de Lifshitz en appliquant une pression et en mesurant les oscillations quantiques à mesure que la pression augmentait, ", dit l'auteur correspondant Hideaki Sakai.
Les chercheurs ont étudié le séléniure d'étain (SnSe), un matériau thermoélectrique qui est également un semi-conducteur avec une petite quantité de porteurs conducteurs. Dans les semi-conducteurs, la bande de valence d'énergie inférieure est remplie d'électrons, alors que la bande de conduction énergétique supérieure en est vide; une fois quelques impuretés et/ou défauts chimiques introduits, des porteurs conducteurs sont introduits sous forme d'électrons et de trous dans les bandes de conduction et de valence, respectivement, et le semi-conducteur se comportera comme un conducteur. En plus d'avoir un effet sur les propriétés de conduction électrique du matériau, la structure de bande a également un effet sur les phénomènes quantiques, telles que leurs capacités thermoélectriques. Les bandes de valence du séléniure d'étain ne sont pas complètement plates, mais ont normalement deux vallées en eux.
Fig. 2 :Mise en place des mesures thermoélectriques et électriques sous pression. Crédit :Université d'Osaka
"Quand on a augmenté la pression sur la matière, nous avons observé un changement de deux à quatre vallées dans le matériau lors de la transition de Lifshitz, ", explique Hideaki Sakai. Les chercheurs ont pu montrer à la fois expérimentalement et théoriquement que ce changement du nombre de vallées était directement responsable de l'amélioration significative des propriétés thermoélectriques du séléniure d'étain.
Les résultats de l'étude peuvent aider à préparer des matériaux thermoélectriques améliorés à l'avenir et pourraient également aider à clarifier l'effet de la transition de Lifshitz sur diverses propriétés de transport, conduisant à des applications potentielles telles qu'une nouvelle électronique utilisant des degrés de liberté de vallée dans la structure de bande.
