Selon les scientifiques, la chaleur résiduelle, qui pénètre dans l’environnement et reste inutilisée, représente plus de 70 % des pertes mondiales de consommation d’énergie. À l'aide de matériaux thermoélectriques, des semi-conducteurs spéciaux, la chaleur dissipée peut être convertie en électricité. Les matériaux thermoélectriques peuvent également être utilisés pour concevoir des dispositifs de refroidissement, qui réduisent la consommation d'énergie dans les applications domestiques et industrielles.

La recherche de ces matériaux est l’une des tâches clés de la science moderne des matériaux. Une équipe de scientifiques de Skoltech, de l'Institut Emanuel de physique biochimique RAS, ainsi que d'autres organisations scientifiques de premier plan en Russie et en Israël, ont étudié comment l'ajout d'impuretés au tellurure de plomb (PbTe), un matériau thermoélectrique, peut affecter ses propriétés mécaniques et prolonger le service. durée de vie d'un générateur thermoélectrique. L'article a été publié dans Applied Physics Letters .

"Le tellurure de plomb est utilisé sur les gazoducs de la région de Yamal pour assurer le fonctionnement des capteurs. Il est impossible d'y installer des lignes électriques et les moteurs diesel nécessitent une surveillance constante. Au lieu de cela, de petits tubes contenant du gaz brûlant sont utilisés pour fournir de la chaleur. En utilisant un Matériau thermoélectrique, la chaleur du gaz brûlant est convertie en électricité, ce qui est suffisant pour que les capteurs fonctionnent", a déclaré Ilya Chepkasov, auteur principal de l'étude et chercheur principal au Centre de transition énergétique de Skoltech.

Le matériau présente également certains inconvénients :il peut se détériorer au contact de matériaux ayant un coefficient de dilatation thermique différent. Une détérioration facile peut dépendre du dopage, qui est le processus d'ajout d'impuretés à la structure cristalline d'un semi-conducteur pour modifier ses propriétés électriques et thermoélectriques et rendre la conductivité contrôlée et prévisible.

Il existe deux types de dopage des semi-conducteurs. Le dopage de type N donne naissance à un semi-conducteur dont les électrons sont les principaux porteurs de charge. Le dopage de type P produit un semi-conducteur, où le rôle principal dans le transfert de charge est attribué à ce que l'on appelle les « trous », c'est-à-dire des endroits qui apparaissent dans une liaison électronique après la sortie de l'électron. Ils ont une charge positive et se comportent comme des particules positives.

Les scientifiques ont démontré que la liaison chimique dans le PbTe de type n s’affaiblit à mesure que les orbitales qui se relâchent se remplissent. En conséquence, le matériau devient plus ductile et, avec la dilatation thermique, le risque de dégradation est plus faible que dans le type p.

"En fonction du type de dopage, les propriétés mécaniques du matériau peuvent varier de différentes manières. Dans le PbTe de type n, la concentration en dopants affecte légèrement les propriétés mécaniques. Dans le PbTe de type p, il y a une augmentation significative de Nous avons étudié la raison de ce comportement et avons constaté que le dopage de type N entraîne un électron supplémentaire sur l'orbitale desserrée. De ce fait, le matériau devient plus ductile. À l'inverse, le dopage de type P entraîne une liaison plus rigide. un matériau plus fragile", a ajouté Chepkasov.

Les nouveaux résultats aideront à sélectionner un dopant qui améliorera les propriétés mécaniques du tellurure de plomb et augmentera la durabilité d'un générateur thermoélectrique. La recherche faisait partie de la subvention n° 19-72-30043 de l'Académie des sciences de Russie intitulée "Laboratoire de conception informatique de nouveaux matériaux". Le projet vise à développer de nouvelles méthodes informatiques qui amélioreront considérablement les capacités de prédiction informatique des matériaux, en tenant compte de facteurs aussi complexes que la température et les effets de corrélation.

Plus d'informations : Ilya V. Chepkasov et al, Origine du comportement fragile des matériaux thermoélectriques dopés à base de PbTe, Applied Physics Letters (2024). DOI :10.1063/5.0185002

Informations sur le journal : Lettres de physique appliquée

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo