Une équipe de physiciens de l'Université de Clemson composée des scientifiques des nanomatériaux Apparao Rao et Ramakrishna Podila et des thermoélectriciens Terry Tritt, Jian He et Pooja Puneet ont travaillé en synergie avec le nouveau Clemson Nanomaterials Center pour développer une nouvelle technique d'adaptation des propriétés thermoélectriques du tellurure de bismuth de type n pour des performances thermoélectriques élevées.

Leurs résultats ont été publiés dans la revue Rapports scientifiques .

L'économie énergétique et l'environnement actuels des États-Unis sont de plus en plus menacés par la diminution rapide des réserves nationales de combustibles fossiles couplée à un impact environnemental grave de la combustion de combustibles fossiles. On s'attend à ce que des dispositifs thermoélectriques à haut rendement répondent aux besoins de technologie d'énergie propre de l'heure pour la durabilité énergétique des États-Unis. Cette recherche est une étape vers l'optimisation des performances de l'appareil puisqu'elle décrit une méthodologie pour surmonter un défi qui a « frustré » les chercheurs thermoélectriques à ce jour.

Les dispositifs thermoélectriques (TE) convertissent la chaleur perdue en électricité grâce à la propriété d'un matériau unique appelée effet Seebeck. Essentiellement, l'effet Seebeck se traduit par une tension aux deux extrémités d'un matériau TE, semblable à la tension présente aux deux extrémités d'une pile AA, lorsque le matériau TE est correctement exposé à la chaleur perdue. Dans de tels appareils, l'efficacité de la conversion de la chaleur en électricité est régie par certaines propriétés des matériaux fortement couplés, à savoir, résistivité électrique, Coefficient de Seebeck, et la conductivité thermique. Un dispositif TE fonctionnel se compose de plusieurs branches composées de matériaux de type p et de type n, tout comme une diode comprend une jonction p-n.

Le tellurure de bismuth (Bi2Te3) est un matériau en couches et peut être considéré comme un jeu de cartes à jouer, où chaque carte n'a que quelques atomes d'épaisseur. Bi2Te3 est actuellement considéré comme le matériau TE de pointe avec un rendement élevé pour convertir la chaleur perdue en électricité, et est donc attrayant pour les processus de récupération d'énergie.

Les méthodes traditionnelles de nanodimensionnement n'ont pas réussi à améliorer les performances du Bi2Te3 de type n, car elles dégradent simplement toutes les propriétés des matériaux simultanément. Par conséquent, Les chercheurs et collègues de Clemson ont développé une nouvelle méthode de nanodimensionnement dans laquelle nous découpons d'abord le Bi2Te3 de type n en feuilles atomiquement minces (semblables au graphène qui est une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome) et les réassemblons à l'aide d'un processus de frittage par plasma à étincelle.

Les chercheurs ont découvert que le processus en deux étapes décrit ci-dessus consistant à séparer d'abord le jeu de cartes en cartes individuelles, puis à les réassembler en un jeu via un frittage par plasma d'étincelle, nous permet d'adapter de manière appropriée les propriétés des matériaux du Bi2Te3 de type n pour une haute performances TE. Dans cette approche, les "défauts chargés interfaciaux" sont générés dans le Bi2Te3 de type n fritté qui améliore non seulement ses propriétés structurelles mais également son efficacité thermoélectrique sur une large fenêtre de température, le rendant ainsi extrêmement compatible avec le Bi2Te3 de type p pour la fabrication de dispositifs TE efficaces.

Le facteur de compatibilité amélioré (démontré dans cet article) devrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les appareils TE hautement efficaces. L'élément fascinant et remarquable de cette recherche est que les défauts, qui connotent souvent l'impureté et sont associés à de faibles performances ou efficacité, peut en effet être utilisé pour ajuster les propriétés des matériaux à notre avantage.

La communauté scientifique d'aujourd'hui n'a pas une compréhension globale des défauts, principalement en raison de l'absence de méthodes capables de générer et de manipuler des défauts de manière contrôlable. L'avenir de cette recherche visera à développer des outils pour générer et étudier les défauts à un niveau fondamental, ce qui permettra aux chercheurs d'optimiser les propriétés des matériaux non seulement des matériaux TE, mais également d'une nouvelle classe de matériaux bidimensionnels au-delà du prix Nobel. -Graphène gagnant pour la production et le stockage d'énergie.