Les matériaux thermoélectriques haute performance qui convertissent la chaleur résiduelle en électricité pourraient un jour être une source d'énergie plus durable. Mais ils doivent être beaucoup plus efficaces avant de pouvoir être efficaces à grande échelle dans des endroits comme les centrales électriques ou les bases militaires, disent les chercheurs.

Un chercheur de l'Université du Michigan a fait un pas vers cet objectif. En concevant un matériau semi-conducteur au niveau de ses atomes individuels, Pierre Ferdinand P. Poudeu, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, a augmenté sa capacité à convertir la chaleur en électricité de 200 % et sa conductivité électrique de 43 %. C'est une combinaison importante. Améliorer ces deux chiffres en même temps est un enjeu majeur pour les chercheurs travaillant dans le domaine.

Le matériau Poudeu utilisé est un alliage de titane, zirconium, nickel et étain. Bien que ce ne soit pas un matériau thermoélectrique particulièrement efficace à ce stade, Poudeu dit que cela a fait un bon banc d'essai.

"Ce concept est nouveau et passionnant, " a déclaré Poudeu. " Nous pensons qu'il peut également être adapté à d'autres matériaux et ouvrir la voie à des matériaux thermoélectriques améliorés destinés à des applications de conversion d'énergie à haute performance.

« Si nous voulons construire des générateurs qui convertissent la chaleur résiduelle en électricité et qui soient capables de remplacer la technologie actuelle, des matériaux thermoélectriques avec un rendement beaucoup plus élevé doivent être découverts. Nous devrons environ doubler l'efficacité généralement obtenue aujourd'hui."

Poudeu affirme que son approche de nano-ingénierie pourrait permettre d'atteindre ces gains si elle peut être utilisée dans les principaux systèmes de matériaux thermoélectriques candidats actuels.

Sa stratégie diffère des techniques chimiques courantes telles que le dopage, dans lequel les chercheurs ajoutent des impuretés à un matériau hôte pour modifier ses propriétés électroniques et le rendre plus conducteur. Dans les matériaux thermoélectriques, le dopage peut jouer contre lui-même, cependant, parce que les impuretés peuvent entraver la conversion chaleur-électricité.

Plutôt que d'ajouter des impuretés, qui sont typiquement des éléments chimiques étrangers, Poudeu a introduit des atomes individuels supplémentaires de nickel, l'un des éléments déjà présents dans le matériau. Les atomes de nickel ont trouvé leur chemin dans la structure cristalline du matériau hôte et ont rempli une petite fraction de ses sites atomiques vacants. Ils ont formé ce que Poudeu décrit comme des points quantiques - des structures à l'échelle nanométrique qui suivent les lois quantiques, plutôt que classique, la physique.

Les structures sont si petites, il faudrait en aligner un million juste pour pouvoir les voir sans microscope, dit Poudeu.

Les points quantiques agissent comme des pièges, empêcher les électrons de faible énergie de réduire l'efficacité de conversion, tout en créant une voie pour que les électrons à plus haute énergie passent sous forme de courant électrique. L'ajout des points quantiques dans un semi-conducteur massif donne un nouveau matériau avec une structure électronique distincte, dit Poudeu.

L'article s'intitule "Large Enhancements of Thermopower and Carrier Mobility in Quantum Dot Engineered Bulk Semiconductors". Il est publié en ligne dans le Journal de l'American Chemical Society et paraîtra dans une prochaine édition imprimée.