(Phys.org) - Les chercheurs ont théoriquement démontré le plus faible taux de transfert de chaleur, ou conductivité thermique, dans n'importe quel matériau à base de silicium développé jusqu'à présent.

Le nouveau matériel, qui est un nanofil de silicium polycristallin, brise deux limites :la limite de Casimir et la limite amorphe. La limite de Casimir est une théorie qui décrit la conductivité thermique des nanostructures, et sa rupture signifie que la conductivité thermique du nouveau matériau est inférieure à la valeur prédite par la théorie limite de Casimir. La limite amorphe est considérée comme la plus faible conductivité thermique d'un matériau, car les structures amorphes dispersent fortement les caloporteurs. Cependant, en raison de sa conception unique à l'échelle nanométrique, le nanofil de silicium polycristallin a une conductivité thermique trois fois inférieure à celle des matériaux de silicium amorphe.

Les chercheurs, Yanguang Zhou et Ming Hu à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle en Allemagne, ont publié un article sur le nanofil de silicium polycristallin dans un récent numéro de Lettres nano .

Les chercheurs s'attendent à ce que le nouveau matériau soit particulièrement utile pour les applications thermoélectriques. En convertissant l'énergie thermique en électricité, les matériaux thermoélectriques permettent de capter une partie de la chaleur résiduelle émise par les sorties d'échappement des véhicules, centrales électriques, et des installations de fabrication, puis convertir la chaleur en énergie utile.

En général, les bons matériaux thermoélectriques sont ceux qui ont simultanément une conductivité électronique élevée et une faible conductivité thermique. Ensemble, ces deux propriétés conduisent à un rendement global élevé de conversion chaleur-électricité. Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur la diminution de la conductivité thermique tout en maintenant la conductivité électronique déjà élevée des matériaux en silicium.

"Dans ce document, nous signalons une nouvelle structure, nanofil polycristallin, qui peut réduire la conductivité thermique à une valeur record, seulement un tiers de son homologue amorphe, " Zhou a dit Phys.org . "Si nous gardons la conductivité électrique et le coefficient Seebeck comme constantes, qui peut être obtenu en dopant le matériau, l'efficacité du nanofil polycristallin pour convertir la chaleur en électricité peut être augmentée de 277 fois par rapport à son homologue en vrac."

La clé de la faible conductivité thermique du nouveau nanofil de silicium est sa forme polycristalline, qui se compose de nombreuses structures cristallines de formes et de tailles variables dans des orientations aléatoires. Sur la base de la taille moyenne des grains (environ 3 nm) dans les nanofils de silicium polycristallin, la limite de Casimir prédit que la conductivité thermique ne peut pas être inférieure à environ 3 W/mK. Mais les simulations des chercheurs montrent que les nanofils de silicium polycristallin ont une conductivité thermique de seulement 0,7 W/mK. En comparaison, cette valeur est 269 fois inférieure à celle du silicium massif, 77 fois inférieur à celui des nanofils de silicium vierges, et trois fois inférieure à celle des nanofils de silicium amorphe.

Les chercheurs expliquent qu'une caractéristique importante de la structure polycristalline est que les joints de grains entre les cristaux sont discontinus. Par conséquent, les joints de grains bloquent et dispersent les phonons caloporteurs, de sorte que les phonons ne puissent pas se déplacer très loin (seulement 1 nm environ) à travers le matériau par rapport à la distance qu'ils peuvent parcourir dans d'autres matériaux en silicium (jusqu'à 1 µm), dans lequel les joints de grains forment un réseau continu.

Les résultats ici soulèvent la question de savoir quelle peut être la conductivité thermique la plus faible possible pour les nanofils de silicium de toute forme. En général, il existe deux types de vibrations qui contribuent à la conductivité thermique :les propagones et les diffusons. Les chercheurs s'attendent à ce qu'il soit possible d'éliminer complètement la contribution des propagones en incorporant du désordre sous forme de structures nanojumelées dans les nanofils de silicium polycristallin afin de minimiser leur transport. Diffuseurs, d'autre part, sont causés par le désordre structurel inhérent à un matériau, ils ne peuvent donc pas être réduits de cette manière. Néanmoins, en éliminant l'apport des propagones, les chercheurs s'attendent à ce que la conductivité thermique des nanofils de silicium polycristallin puisse être encore réduite de 20 %. Les chercheurs prévoient de poursuivre cet objectif dans des travaux futurs.

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