Les systèmes thermoélectriques constituent un moyen écologique et durable de récupérer l’énergie de toute forme de chaleur qui autrement serait gaspillée. Au cœur de ce processus de conversion d'énergie se trouve ce qu'on appelle l'effet Seebeck, qui décrit l'accumulation de tension sur un matériau exposé à une différence de température.
Cependant, malgré plus de 100 ans de recherche intense, les rendements thermoélectriques restent inférieurs à ceux des moteurs thermiques conventionnels, ce qui rend les moteurs thermoélectriques uniquement adaptés à des applications de niche.
C’est pourquoi l’un des principaux efforts des scientifiques aujourd’hui est de trouver de nouvelles stratégies pour améliorer cette efficacité. Notre dernier article "Impact de l'entropie de spin sur les propriétés thermoélectriques d'un aimant 2D", publié dans Nano Letters , démontre qu'une solution pourrait résider dans des circuits basés sur des couches magnétiques bidimensionnelles (2D).
Les propriétés thermoélectriques sont fortement influencées par l'entropie, qui quantifie le désordre dans un système. Par conséquent, tous les mécanismes qui augmentent ces paramètres peuvent améliorer l'efficacité de conversion du dispositif de récupération d'énergie.
Dans les matériaux magnétiques 2D, deux facteurs supplémentaires peuvent modifier l'entropie :l'ordre magnétique, générant une contribution "d'entropie de spin", et le nombre de couches auxquelles un porteur de charge peut accéder dans un matériau en couches 2D, qui produit une "entropie de couche" supplémentaire. "
Dans notre article, les propriétés de transport électrique et thermoélectrique de l'antiferromagnétique 2D CrSBr sont mesurées, tout en modifiant simultanément l'ordre magnétique du matériau en faisant varier la température de l'échantillon ou en appliquant un champ magnétique externe. L'étude rapporte que la réponse thermoélectrique augmente avec la température à mesure que les électrons et les spins se mobilisent, atteignant un maximum local autour de la température de transition de phase magnétique Néel.
De plus, il a été démontré qu’un champ magnétique peut augmenter le facteur de puissance thermoélectrique jusqu’à 600 % à basse température. Ces phénomènes s'expliquent par l'interaction des différentes contributions entropiques dans le matériau et mettent en évidence le fort impact de l'ordre magnétique sur la réponse thermoélectrique des aimants 2D.
Les résultats que nous rapportons démontrent comment l'utilisation d'aimants pourrait surmonter les limites des dispositifs de récupération d'énergie conventionnels, car leurs propriétés thermoélectriques peuvent être optimisées en modifiant la phase magnétique et en ajustant ainsi l'impact de l'entropie de spin.
De plus, l'utilisation de matériaux 2D ouvre des degrés de liberté supplémentaires, comme la possibilité d'ajuster la température de transition au moyen de plusieurs facteurs (épaisseur du film, composition, déclenchement électrostatique), ce qui pourrait permettre de maximiser leurs performances thermoélectriques à température ambiante. Toutes ces découvertes représentent le premier élément d'une nouvelle façon de concevoir des récupérateurs d'énergie plus efficaces.
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Plus d'informations : Alessandra Canetta et al, Impact de l'entropie de spin sur les propriétés thermoélectriques d'un aimant 2D, Nano Letters (2024). DOI :10.1021/acs.nanolett.4c00809
Informations sur le journal : Lettres nano
Alessandra Canetta est doctorante en troisième année à l'UCLouvain (Belgique), sous la direction du Prof. Pascal Gehring. Le projet de doctorat de Canetta se concentre sur l'étude des propriétés thermiques et thermoélectriques des matériaux 2D, en particulier des aimants 2D.
