L'énergie électrique peut être générée à partir d'une différence de température dans un circuit avec des matériaux appropriés. Dans les simulations, Les scientifiques de l'ETH Zurich montrent quels matériaux sont les plus susceptibles de réussir dans un processus thermoélectrique.

Les nanofils ressemblent à de longues frites :des cuboïdes rectangulaires allongés de plus de 300 cellules unitaires de silicium de long et d'une section transversale de 9 cellules unitaires de large et 9 de haut. Les fils sont minuscules, seulement 160 nanomètres de long et environ cinq nanomètres de diamètre équivalent – ​​10, 000 fois plus fin qu'un cheveu. Les nanofils sont recouverts d'une fine couche atomique de germanium, l'épaisseur de la couche n'étant que d'une à deux mailles élémentaires du matériau semi-conducteur.

Un nanofil de silicium-germanium avec cette construction est – ou plutôt serait – un candidat de choix pour une utilisation en thermoélectricité. Le seul problème est que, jusqu'à maintenant, le petit fil semi-conducteur sous cette forme n'existe que dans l'ordinateur de Ming Hu, un chercheur post-doctoral dans le groupe de Dimos Poulikakos, Professeur de thermodynamique à l'Institute of Energy Technology. Professeur K. Giapis du California Institute of Technology, ETATS-UNIS, qui a passé son congé sabbatique avec le groupe Poulikakos à l'ETH Zurich a également collaboré à la réalisation des recherches qui ont conduit au développement de ce fil.

Des nanofils plus efficaces

La thermoélectricité exploite le fait que la température et l'électricité peuvent être dans certaines conditions inter-convertibles. En raison de l'effet Seebeck, une petite tension électrique se produit dans un circuit lorsqu'une différence de température est présente entre les points de contact de deux types différents de conducteurs électriques dans le circuit. Cependant, tous les matériaux conducteurs ou semi-conducteurs ne conviennent pas à la production de thermoélectricité. Pour présenter des coefficients de conversion élevés rendant un matériau viable pour des applications réalistes, la conductivité thermique du matériau doit être aussi faible que possible, alors que sa conductivité électrique doit être grande. Dimos Poulikakos dit, « De tels matériaux sont pratiquement inexistants dans la nature. »

Par conséquent, l'objectif du projet de recherche était de concevoir un matériau approprié possédant ces propriétés. Le silicium abandonne dans la nature et pourrait être particulièrement adapté à cet égard. Bien que la conductivité thermique du silicium massif soit élevée, cette conductivité thermique se détériore dès que le semi-conducteur est converti en une nanostructure filiforme. Le professeur de l'ETH Zurich met toutefois en garde :que "même les nanofils de silicium pur ne sont pas assez bons pour une conversion efficace de l'énergie".

La couche de germanium réduit encore la conductivité thermique

Grâce à des simulations informatiques, Hu Ming a maintenant découvert comment le problème pourrait être résolu. Il a montré que les nanofils de silicium conduisent la chaleur encore plus mal s'ils sont recouverts d'une fine couche atomique de germanium, un autre semi-conducteur. La conductivité thermique diminue de 75 pour cent par rapport aux nano-fils de silicium pur, et le fait à température ambiante. D'autre part, quand Hu a ajouté plus de couches de germanium dans son modèle, la conductivité thermique a de nouveau augmenté.

Les chercheurs ont montré que la raison de la réduction spectaculaire de la conductivité thermique des nanofils de silicium recouverts de germanium réside dans les modes de vibration modifiés des phonons qui transportent la chaleur à travers le réseau cristallin. Les longueurs d'onde des particules ont été raccourcies et comprimées au niveau de la couche interfaciale entre le silicium et le germanium, qui a bloqué le transport de chaleur dans une très large mesure.

Par conséquent, les chercheurs concluent que les nanofils de silicium minces devraient être recouverts d'une ou deux couches de germanium pour permettre une étape significative vers la réalisation de processus thermoélectriques viables.

De l'ordinateur au laboratoire

Les nanofils Si/Ge n'existent encore que dans l'ordinateur de Ming Hu. Cependant, le plan est de les fabriquer bientôt dans le laboratoire de Poulikakos pour de vraies expériences. Les méthodes thermoélectriques pourraient apporter une contribution importante à la production d'énergie alternative à l'avenir. Par exemple, le professeur de l'ETH Zurich peut envisager que, à l'aide d'installations adaptées, ils pourraient être utilisés pour exploiter la chaleur perdue des machines ou des bâtiments pour produire de l'électricité, qui peuvent être stockés ou injectés dans le réseau. Sur la base de l'état actuel des connaissances, on pourrait imaginer des appareils qui alimentent en électricité des maisons individuelles ou des équipements portables. Modules thermoélectriques, par exemple. aussi grand qu'une table de cuisine, pourrait également servir de panneaux solaires pour produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie solaire. Cependant, ce sont des expériences de pensée initiales pour le moment. Poulikakos prévient que, « De telles applications pratiques sont encore assez lointaines »