Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont montré qu'une quantité connue sous le nom de conductivité thermoélectrique est une mesure efficace de la dimensionnalité des nanomatériaux thermoélectriques nouvellement développés. Étudier des films de nanotubes de carbone monoparoi semi-conducteurs et des feuilles atomiquement minces de sulfure de molybdène et de graphène, ils ont trouvé des distinctions claires dans la façon dont ce nombre varie avec la conductivité, en accord avec les prédictions théoriques dans les matériaux 1D et 2D. Une telle métrique promet de meilleures stratégies de conception pour les matériaux thermoélectriques.

Les dispositifs thermoélectriques prennent les différences de température entre différents matériaux et génèrent de l'énergie électrique. L'exemple le plus simple est constitué de deux bandes de métaux différents soudées ensemble aux deux extrémités pour former une boucle; chauffer l'une des jonctions tout en gardant l'autre au frais crée un courant électrique. C'est ce qu'on appelle l'effet Seebeck. Ses applications potentielles promettent une utilisation efficace de l'énorme quantité d'énergie gaspillée sous forme de chaleur dissipée dans la vie quotidienne, que ce soit en transmission de puissance, échappement industriel, ou même la chaleur corporelle. En 1993, il a été théorisé qu'atomiquement mince, les matériaux unidimensionnels auraient le mélange idéal de propriétés requises pour créer des dispositifs thermoélectriques efficaces. La recherche qui en a résulté a conduit à l'application de nanomatériaux tels que les nanotubes de carbone semi-conducteurs à paroi unique (SWCNT).

Cependant, il y avait un problème permanent qui empêchait les nouvelles conceptions et systèmes d'être caractérisés avec précision. Les propriétés clés des dispositifs thermoélectriques sont la conductivité thermique, conductivité électrique, et le coefficient de Seebeck, une mesure de la quantité de tension créée à l'interface entre différents matériaux pour une différence de température donnée. Alors que la science des matériaux avançait dans l'ère de la nanotechnologie, ces chiffres n'étaient pas suffisants pour exprimer une propriété clé des nouveaux nanomatériaux qui étaient créés :la "dimensionnalité" du matériau, ou comment 1D, Le matériau se comporte comme en 2D ou en 3D. Sans un fiable, métrique sans ambiguïté, il devient difficile de discuter, sans parler d'optimiser de nouveaux matériaux, en particulier comment la dimensionnalité de leur structure conduit à des performances thermoélectriques améliorées.

Pour faire face à ce dilemme, une équipe dirigée par le professeur Kazuhiro Yanagi de l'Université métropolitaine de Tokyo a entrepris d'explorer un nouveau paramètre récemment signalé par des études théoriques, la "conductivité thermoélectrique". Contrairement au coefficient de Seebeck, les calculs théoriques de l'équipe ont confirmé que cette valeur variait différemment avec une conductivité accrue pour 1D, Systèmes 2D et 3D. Ils l'ont également confirmé expérimentalement, préparer des films minces de nanotubes de carbone monoparoi ainsi que des feuilles atomiquement minces de sulfure de molybdène et de graphène, matériaux archétypaux en 1D et 2D respectivement. Les mesures ont montré de manière concluante que la conductivité thermoélectrique du matériau 1D diminuait à des valeurs de conductivité plus élevées, tandis que la courbe des matériaux 2D plafonnait. Ils notent également que cela démontre comment la dimensionnalité du matériau est conservée même lorsque le matériau est préparé dans des films macroscopiques, un grand coup de pouce pour les efforts visant à tirer parti de la dimensionnalité spécifique de certaines structures pour améliorer les performances thermoélectriques.

Combiné avec des calculs théoriques, l'équipe conclut qu'une conductivité thermoélectrique élevée, conductivité électrique conventionnelle élevée, et une faible conductivité thermique sont des objectifs clés pour l'ingénierie de nouveaux dispositifs. Ils espèrent que ces mesurables, des objectifs tangibles apporteront la clarté et l'unité indispensables au développement de dispositifs thermoélectriques de pointe.