En dopant un matériau thermoélectrique avec des quantités infimes de soufre, une équipe de chercheurs a trouvé une nouvelle voie vers d'importantes améliorations de l'efficacité des matériaux pour le chauffage et le refroidissement à l'état solide et la récupération de l'énergie résiduelle. Cette approche modifie profondément la structure de bande électronique du matériau - le séléniure de tellurure de bismuth - améliorant la soi-disant "figure de mérite, " un classement des performances d'un matériau qui détermine l'efficacité des applications et ouvre la porte à des applications avancées de matériaux thermoélectriques pour récupérer la chaleur résiduelle des centrales électriques vers les puces informatiques.

« C'est une avancée passionnante car cela nous permet de démêler deux propriétés défavorablement couplées qui limitent les performances thermoélectriques, " dit Ganpati Ramanath, un expert en nanomatériaux, et le professeur John Tod Horton '52 de science et d'ingénierie des matériaux au Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), qui dirigeait l'équipe. "De plus, notre approche fonctionne aussi bien pour les nanocristaux que pour les matériaux en vrac, ce qui est pertinent pour les applications.

Les matériaux thermoélectriques peuvent convertir une tension en un gradient thermique - faisant en sorte qu'un côté d'un matériau devienne chaud ou froid - et vice-versa. L'efficacité avec laquelle un matériau est capable de convertir une tension en un gradient thermique est principalement déterminée par la figure de mérite du matériau. Les matériaux thermoélectriques de pointe ne sont pas très efficaces, limiter leur utilisation à des applications de niche telles que les réfrigérateurs de pique-nique, chauffe-eau domestiques, la climatisation des sièges d'auto et des lunettes de vision nocturne. Avec une amélioration substantielle de la figure de mérite, les matériaux thermoélectriques pourraient être utilisés pour des applications plus avancées, comme la récupération de la chaleur résiduelle dans les centrales électriques et les moteurs, et le refroidissement des puces informatiques.

« Soixante-dix pour cent de toutes les pertes d'énergie sont de la chaleur. Si nous pouvons générer encore 5 % d'électricité en plus à partir de cette chaleur perdue, nous serons sur la bonne voie pour avoir un impact important sur la production d'électricité et la réduction des émissions de dioxyde de carbone, " dit Théo Borca-Tasciuc, professeur de génie mécanique à Rensselaer et membre clé de l'équipe, avec une expertise en physique thermique et systèmes. « La thermoélectrique pourrait également permettre des compact, et des systèmes de pompes à chaleur modulaires pour révolutionner la climatisation pour les applications dans les voitures et les bâtiments."

La figure de mérite d'un matériau thermoélectrique dépend de trois propriétés :la conductivité électrique – la capacité du matériau à conduire les électrons; Coefficient de Seebeck – la capacité de convertir l'électricité et la chaleur de manière croisée ; et la conductivité thermique – la capacité du matériau à conduire la chaleur. Pour une figure de mérite élevée, un matériau aurait une conductivité électrique élevée, coefficient Seebeck élevé, et une faible conductivité thermique. Un obstacle à l'obtention d'un facteur de mérite élevé est que la conductivité électrique et le coefficient de Seebeck ont ​​une relation inverse; l'un augmente, l'autre diminue.

"En dopant le séléniure de tellurure de bismuth avec des centaines de parties par million de soufre, nous sommes en mesure d'augmenter à la fois la conductivité électrique et le coefficient Seebeck dans les nanocristaux ainsi que les matériaux en vrac fabriqués à partir des nanocristaux, ", a déclaré Ramanath. La recherche démontre une augmentation jusqu'à 80 pour cent de la valeur du mérite du matériau en vrac. "Des améliorations plus importantes pourraient être possibles avec un dopage plus élevé ou l'utilisation d'autres dopants."

« Le grand défi de la production d'électricité avec la thermoélectricité est de savoir comment obtenir une haute tension et une faible résistance en même temps. Notre travail montre une nouvelle et importante voie à suivre :nous devons optimiser cette méthode et la mettre en pratique, " a déclaré David Singh, un professeur de l'Université du Missouri dont les calculs théoriques fournissent une base pour expliquer les résultats observés en termes de changements complexes dans la forme de la structure de la bande électronique.

La recherche est détaillée dans le 11 mai, 2016, numéro en ligne de Matériaux avancés dans l'article "Harnessing topological band effects in bismuth tellurure séléniure pour de grandes améliorations des propriétés thermoélectriques par dopage isovalent." Le travail est une collaboration entre des chercheurs de Rensselaer, Université du Missouri, et l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide en Allemagne. Pour ce travail, Devender, le premier auteur de l'article et étudiant au doctorat de Ramanath, a reçu un prix Norman Stoloff pour l'excellence en recherche aux cycles supérieurs du Département de science et génie des matériaux de Rensselaer. Devender travaille actuellement chez GlobalFoundries Inc.

La recherche de Ramanath illustre le travail effectué au New Polytechnic, relever des défis mondiaux difficiles et complexes, la nécessité d'une collaboration interdisciplinaire et véritable, et l'utilisation des derniers outils et technologies, dont beaucoup sont développés à Rensselaer. Ses recherches portent sur les nanomatériaux et les interfaces pour des applications en électronique et en énergie. Ses recherches incluent le développement de nouveaux types de matériaux en vrac et de films minces par synthèse dirigée et assemblage, ainsi que la création d'interfaces moléculairement adaptées avec des propriétés nouvelles ou uniques. Les découvertes récentes de Ramanath incluent une nouvelle classe de nanomatériaux thermoélectriques, y compris cette nouvelle variante de séléniure de tellurure de bismuth dopé au soufre, construits à partir d'assemblages de nanostructures sculptées pour une réfrigération à l'état solide à haute efficacité et la récupération d'électricité à partir de la chaleur résiduelle, ainsi que des couches nanomoléculaires de "nanoglue" qui peuvent joindre des matériaux non collants, inhiber le mélange chimique, et booster le transport thermique.