Graham Yelton et les collègues de Sandia National Laboratories ont mis au point une technique d'électroformage unique qui a adapté des facteurs clés à de meilleures performances thermoélectriques :orientation des cristaux, taille des cristaux et uniformité de l'alliage. Yelton fait partie des chercheurs de Sandia qui ont publié un article, « En utilisant l'électroformage galvanostatique des nanofils Bi1-xSbx pour contrôler la composition, Cristallinité et Orientation, » dans l'édition du 28 janvier du Bulletin MRS de la Materials Research Society. Crédit :Randy Montoya
L'efficacité est grande dans le monde minuscule des nanofils thermoélectriques. Des chercheurs de Sandia National Laboratories affirment que de meilleurs matériaux et techniques de fabrication pour les nanofils pourraient permettre aux constructeurs automobiles de récupérer l'énergie de la chaleur gaspillée par les systèmes d'échappement ou conduire à des dispositifs plus efficaces pour refroidir les puces informatiques.
Les chercheurs de Sandia ont publié un article, "Utilisation de l'électroformage galvanostatique de Bi
Ce travail a été la première fois que les chercheurs ont réussi à contrôler l'orientation des cristaux, la taille des cristaux et l'uniformité de l'alliage par un seul processus. Les trois facteurs contribuent à une meilleure performance thermoélectrique, dit Yelton.
"Les trois ensemble signifient un énorme gain, et c'est difficile à faire, " a-t-il dit. " Il faut tourner les boutons du processus pour que ces choses se comportent. "
De meilleures géométries de nanofils peuvent réduire la conductivité thermique et améliorer ce qu'on appelle la figure de mérite thermoélectrique, une mesure de la conductivité électrique et thermique d'un matériau. Plus la conductivité électrique est élevée et plus la conductivité thermique est faible, plus la figure du mérite est élevée et, donc, plus le matériel est efficace. Cependant, la qualité des précédents nanofils thermoélectriques s'est avérée insuffisante.
L'utilisation des nanofils thermoélectriques à ses débuts
Malgré leur inefficacité, certains matériaux thermoélectriques sont déjà utilisés. Yelton compare leur stade de développement aux premiers jours des cellules solaires photovoltaïques :tout le monde a vu le potentiel, mais ils étaient si inefficaces qu'ils n'étaient utilisés que lorsque rien d'autre ne fonctionnait.
L'amélioration de l'efficacité des nanofils augmenterait l'utilisation de matériaux thermoélectriques. Ils sont déjà utilisés dans certains capteurs, et les constructeurs automobiles espèrent pouvoir récupérer la chaleur des systèmes d'échappement pour alimenter les systèmes de capteurs des véhicules, dit Yelton. Diminuer la puissance nécessaire pour faire fonctionner le système d'exploitation d'un véhicule pourrait réduire le poids de la batterie et de l'alternateur et peut-être éliminer certains équipements de production d'électricité, rogner la taille et le poids du véhicule.
L'article de Sandia décrit comment l'équipe a créé des réseaux de nanofils thermoélectriques avec une composition uniforme sur toute la longueur du nanofil et sur l'étendue du réseau de nanofils, qui peut potentiellement inclure des centaines de millions de nanofils. En outre, ils ont créé des cristaux de nanofils de taille et d'orientation uniformes, ou direction. La composition uniforme améliore l'efficacité, alors que l'orientation est importante, donc les électrons, les porteurs d'énergie, couler mieux.
L'équipe a utilisé une méthode rentable appelée électroformage à température ambiante, qui est répandu dans la galvanoplastie commerciale. L'électroformage dépose le matériau à vitesse constante, ce qui à son tour permet aux nanofils de croître à un rythme régulier. La méthode a produit des fils de 70 à 75 nanomètres de diamètre et de plusieurs microns de long.
Yelton a utilisé des impulsions de courant contrôlé pour déposer le matériau thermoélectrique, contrôlant ainsi la composition dans tout le fil et le réseau. "Il y a des petites nuances dans la technique que je fais pour permettre l'orientation, la croissance cristalline et la composition à maintenir dans une fourchette assez étroite, " il a dit.
La technique a permis de contrôler des facettes importantes de la formation de nanofils
La méthode a produit un assez grand, structure de fil cristallin légèrement torsadé qui était presque un monocristal et avait l'orientation souhaitée. « Sans cela, vous ne pouviez pas obtenir de bons rendements, " a déclaré Yelton.
La chimie du matériau est également importante. Pour l'équipe Sandia, les sels d'antimoine jouent un rôle majeur dans la qualité et l'orientation cristalline. Les alliages bismuth-antimoine (Bi-Sb) ont certaines des performances thermoélectriques les plus élevées - agissant à la fois comme conducteur d'électricité et isolant contre la chaleur - parmi de nombreux matériaux pour des applications à température proche de la pièce. Mais les matériaux Bi-Sb existants ne produisent pas un refroidissement efficace à l'état solide lorsque l'alimentation est constamment fournie à l'appareil en cours de refroidissement, comme un ordinateur.
L'équipe Sandia voulait un composé qui se comporte comme un métal mais ne conduit pas la chaleur. Allier l'antimoine au bismuth fait l'affaire, dit Yelton. Les réseaux de nanofils Bi-Sb électroformés avec une chimie à base d'iodure d'antimoine n'avaient pas les qualités requises, mais les réseaux électroformés à partir d'une chimie à base de chlorure d'antimoine ont produit une cristallographie et une orientation pour des performances thermoélectriques maximales.
"La chimie nous a permis de passer d'une structure poly nano-cristalline à des quasi monocristaux de 2 à 5 micromètres, " donnant un meilleur contrôle de l'uniformité, dit Yelton.
Prochaine étape :établir un contact électrique
L'étape suivante est plus difficile :établir un contact électrique et étudier le comportement thermoélectrique qui en résulte.
"Les matériaux thermoélectriques forment facilement des oxydes ou des intermétalliques, conduisant à de mauvaises connexions de contact ou à une résistance de contact électrique plus élevée. Cela réduit les gains réalisés dans le développement des matériaux, " a déclaré Yelton.
Alors que l'équipe Sandia a pu obtenir un bon contact au bas d'un tableau, faire le lien au sommet s'est avéré difficile, il a dit.
« Etablir un contact et mesurer les performances d'une baie n'est pas anodin, " a déclaré Yelton.
Lui et ses collègues recherchent des financements supplémentaires pour résoudre le problème de la réussite des contacts, puis de caractériser les propriétés thermoélectriques des réseaux. « En cas de succès dans les laboratoires, nous essaierions de trouver un collaborateur de l'industrie pour mûrir l'idée, " il a dit.
