La chaleur se propage à travers des feuilles d'étain fines comme des atomes d'une manière très inhabituelle, Les chercheurs d'A*STAR ont découvert. La découverte pourrait aider à développer des applications pour le matériau, y compris la réfrigération thermoélectrique ou la production d'électricité.

Graphène, une couche de carbone d'un atome d'épaisseur seulement, a été isolé pour la première fois en 2004. Depuis lors, les chercheurs ont créé une pléthore d'autres analogues « 2D » du graphène en utilisant différents atomes. Stanène, avec ses atomes d'étain disposés en un motif hexagonal légèrement ondulé (voir image), est arrivé en 2015. Hangbo Zhou et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing ont maintenant étudié comment ce cousin du graphène conduit la chaleur.

En matériaux solides, la chaleur est généralement transportée par des électrons ou par des vibrations entre atomes. Au fur et à mesure que ces vibrations traversent le matériau, ils se comportent plutôt comme une particule, connu sous le nom de phonon. À température ambiante, le graphène conduit principalement la chaleur avec des phonons, alors que les métaux dépendent largement des électrons. Mais dans Stanène, l'équilibre entre ces deux mécanismes était inconnu.

L'équipe A*STAR a calculé la conduction thermique des phonons et des électrons dans le stanène à différentes températures, et a constaté que le stanène a une conduction thermique des phonons beaucoup plus faible que le graphène. En effet, à température ambiante, la conduction thermique des électrons dans le stanène est à peu près la même que sa conduction phononique.

Ils ont également constaté que le stanène s'écarte de la loi de Wiedemann-Franz, qui stipule que la conduction thermique des électrons dépend de la température et de la conductivité électrique du matériau. En stanène, cependant, la contribution de la conduction thermique des électrons au transfert de chaleur global dépend également du « potentiel chimique » du matériau, une mesure de la quantité d'énergie nécessaire pour ajouter un électron supplémentaire au matériau. Surtout, les chercheurs ont découvert que le potentiel chimique affecte également le transport thermique des électrons dans le graphène et certains autres matériaux 2D.

Les découvertes surprenantes pourraient rendre le stanène utile dans les dispositifs thermoélectriques, dans lequel un gradient de température crée une tension entre deux parties d'un matériau, ou vice versa.

"La loi de Wiedemann-Franz est l'un des facteurs majeurs qui limite le rendement thermoélectrique des conducteurs, " dit Zhou. " La violation de la loi peut fournir une voie alternative pour obtenir des matériaux thermoélectriques à haute efficacité. "

Les calculs suggèrent que les propriétés de transport thermique du stanène pourraient être ajustées en modifiant son potentiel chimique, il ajoute, par exemple en ajoutant des traces d'autres atomes.

L'équipe espère maintenant calculer l'efficacité avec laquelle le stanène peut générer de l'énergie thermoélectrique, et la taille de la tension générée par une différence de température dans le matériau.