L'étude est publiée dans la revue Advanced Science .

Les technologies thermoélectriques basées sur l'effet Seebeck, capables de convertir la chaleur résiduelle et d'autres sources de chaleur en électricité, ont fait l'objet de recherches approfondies ces dernières années. L'effet Seebeck génère normalement un courant électrique qui circule parallèlement au flux de chaleur associé (c'est-à-dire un effet thermoélectrique longitudinal). Cette limitation physique nécessite que les dispositifs basés sur l'effet Seebeck aient des structures complexes, ce qui entraîne une durée de vie réduite et une augmentation des coûts de fabrication.

D'autre part, en tirant parti des effets thermoélectriques transversaux tels que l'effet Nernst anormal, les dispositifs thermoélectriques peuvent avoir des structures beaucoup plus simples que les dispositifs basés sur l'effet Seebeck, ce qui les rend potentiellement utiles dans la récupération d'énergie et la détection du flux thermique. Cependant, les performances de conversion thermoélectrique à température ambiante résultant de l'effet Nernst anormal sont actuellement très faibles :moins de 10 μV d'électricité peuvent être générées par une différence de température de 1 K à température ambiante, ce qui présente un inconvénient majeur.

L’équipe de recherche a fabriqué un composite thermoélectrique avec une structure très simple :une paire de couches de matériaux thermoélectriques et magnétiques empilées étroitement les unes sur les autres afin que l’électricité puisse circuler à travers elles. Ce dispositif était capable de présenter un effet thermoélectrique transversal nettement plus important que celui produit uniquement par les matériaux magnétiques existants capables de présenter l'effet Nernst anormal lors de la toute première démonstration expérimentale de ce type.

Pour obtenir un effet thermoélectrique transversal important, l'équipe a d'abord construit un modèle théorique et estimé le rapport d'épaisseur optimal entre le substrat thermoélectrique apparié en silicium (Si) capable de présenter un effet Seebeck important et l'alliage magnétique fer-gallium (Fe-Ga) mince. film. L’équipe a ensuite empilé le film mince Fe-Ga sur un substrat Si avec le rapport d’épaisseur optimal. Ce composite a produit une tension de sortie maximale de 15,2 μV/K, soit environ six fois supérieure à celle générée par l'alliage Fe-Ga seul (2,4 μV/K) sur la base de l'effet Nernst anormal.

L’équipe a démontré qu’une simple structure en couches composée d’une paire de couches de matériaux thermoélectriques et magnétiques en contact direct était capable de produire un effet thermoélectrique transversal nettement plus important que les matériaux magnétiques capables de présenter l’effet Nernst anormal lorsqu’ils sont utilisés seuls. Ce composite devrait être applicable dans une large gamme de dispositifs thermoélectriques pratiques.

À l'avenir, la recherche sera élargie pour inclure les matériaux en vrac nécessaires à des applications pratiques, visant à contribuer à la conservation de l'énergie de la société grâce aux applications de dispositifs de production d'énergie thermoélectrique.

Ce projet a été réalisé par Weinan Zhou (chercheur ICYS, Centre international pour jeunes scientifiques, NIMS), Yuya Sakuraba (chef de groupe, groupe de dispositifs fonctionnels magnétiques, Centre de recherche sur les matériaux magnétiques et spintroniques (CMSM), NIMS), Ken-ichi Uchida (chef de groupe distingué, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) et Taisuke Sasaki (chef de groupe, groupe d'analyse des nanostructures, CMSM, NIMS).