Un groupe de recherche dirigé par le professeur Yoshiaki Nakamura de l'Université d'Osaka a développé avec succès une méthodologie pour améliorer le facteur de puissance thermoélectrique tout en diminuant la conductivité thermique. En introduisant des nanofils de ZnO dans des films de ZnO, le facteur de puissance thermoélectrique est devenu trois fois supérieur à celui d'un film de ZnO sans nanofils de ZnO.

Pour le développement de matériaux thermoélectriques à hautes performances, des éléments lourds coûteux et toxiques ont souvent été utilisés; cependant, le coût élevé et la toxicité ont limité l'utilisation sociale de ces matériaux thermoélectriques. Dans cette recherche, Nakamura et son équipe ont développé de nouveaux films nanostructurés (structure de nanofils incorporés en ZnO) composés de ZnO à faible coût et respectueux de l'environnement. Dans les films développés, le facteur de puissance thermoélectrique a été augmenté par transmission sélective d'électrons énergétiques à travers des interfaces de nanofils avec des barrières énergétiques intentionnellement contrôlées, et la conductivité thermique a été diminuée par la diffusion de phonons aux interfaces des nanofils. Il est prévu que le succès de cette recherche conduira à la réalisation de dispositifs thermoélectriques transparents à haute performance, qui permettra de récupérer l'énergie des objets transparents comme les vitres et les appareils électroniques transparents.

La génération thermoélectrique convertissant la chaleur en électricité a attiré beaucoup d'attention en tant que nouvelle source d'énergie. Le verre à vitre avec des températures intérieures et extérieures différentes est prévu comme source de chaleur pour la génération thermoélectrique, nécessitant des matériaux thermoélectriques transparents à hautes performances thermoélectriques. Les performances thermoélectriques nécessitent un coefficient Seebeck élevé, conductivité électrique élevée, et une faible conductivité thermique. Cependant, ces trois paramètres sont corrélés, conduisant à des difficultés d'amélioration des performances. Jusque là, des matériaux d'éléments lourds coûteux et toxiques à faible conductivité thermique ont souvent été utilisés pour le développement de matériaux thermoélectriques à hautes performances, limiter l'utilisation de la production thermoélectrique. D'autre part, Les matériaux à base d'éléments légers peu coûteux et respectueux de l'environnement présentent de faibles performances thermoélectriques en raison de leur conductivité thermique élevée en général. Cependant, il a été rapporté que la nanostructuration a permis une réduction significative de la conductivité thermique, et les matériaux à base d'éléments légers pourraient être des candidats pour les matériaux thermoélectriques. Mais, il y a encore un autre problème en ce que la nanostructure diffuse non seulement des phonons mais aussi des électrons, résultant en une réduction du facteur de puissance thermoélectrique.

Nakamura et son équipe ont développé avec succès des films ZnO à faible coût et respectueux de l'environnement, y compris le nanofil de ZnO à surface contrôlée (structure de nanofil de ZnO intégré), pour la première fois au monde. Un film à structure de nanofils de ZnO incorporé avec une transmittance optique élevée dans le visible est prévu comme matériau thermoélectrique transparent. Dans la structure, la hauteur de la barrière d'énergie électronique a été contrôlée en modulant la concentration de dopant à l'interface du nanofil, qui a permis l'augmentation du coefficient de Seebeck en raison de la transmission sélective des électrons de haute énergie et de la diffusion des électrons de basse énergie. Une conductivité électrique élevée est également prévue car le cristal de ZnO est formé par épitaxie à l'interface du nanofil, conduisant à une conductivité électrique relativement élevée des électrons de haute énergie. Par ailleurs, la conductivité thermique est également diminuée par une augmentation de la diffusion des phonons à l'interface des nanofils (figure 1).

Structures de nanofils de ZnO intégrés avec une densité surfacique de nanofils supérieure à 4×10 ⁹ cm ^-2 présentait un facteur de puissance thermoélectrique 3 fois supérieur à celui d'un film de ZnO sans nanofils (Figure 2). Il a été confirmé que la concentration de dopant était modulée aux interfaces par observation en microscopie électronique à transmission d'interfaces de nanofils. Les mesures du coefficient Seebeck et de la conductivité électrique dans la plage de basse température ( <300 K) a montré les comportements anormaux attribués au transport d'électrons contrôlé par la hauteur de la barrière énergétique. Par ailleurs, la hauteur de la barrière énergétique s'est avérée être de plusieurs dizaines de meV grâce à l'analyse théorique des données expérimentales. En outre, La conductivité thermique de la structure des nanofils de ZnO intégrés était 20 % plus petite que celle du film de ZnO sans nanofils en raison de l'amélioration de la diffusion des phonons due à l'introduction de l'interface de nanofils. Ces résultats indiquent des succès simultanés :une augmentation du facteur de puissance thermoélectrique et une diminution de la conductivité thermique. La mesure optique a montré que la structure avait une transmittance optique d'environ 60% dans la plage visible, ce qui est comparable à la valeur d'une fenêtre d'un bâtiment (Figure 3).

Travail futur

À l'avenir, il sera possible de réduire considérablement la conductivité thermique de la structure de nanofils de ZnO incorporés en augmentant la densité surfacique des nanofils. Les dispositifs thermoélectriques composés de films avec cette structure devraient être réalisés et être largement utilisés en raison de leur utilisation de ZnO peu coûteux et respectueux de l'environnement. Par ailleurs, le concept de « Modulation de la hauteur de la barrière énergétique en contrôlant la concentration de dopants » peut être appliqué non seulement au ZnO mais aussi à d'autres matériaux prometteurs, qui accélérera le développement de divers matériaux thermoélectriques à hautes performances.