Découverte révolutionnaire dans le domaine de la thermoélectricité : les champs magnétiques améliorent l'efficacité du refroidissement des matériaux topologiques
Une nouvelle approche pour un refroidissement thermoélectrique efficace à basse température
Des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides, en collaboration avec l'université de Chongqing et l'Institut Max Planck de physique des microstructures, ont réalisé une percée dans le domaine de la thermoélectricité topologique. Leurs recherches, publiées dans Nature Materials, ont permis de faire une découverte révolutionnaire dans le domaine de la thermoélectricité : l'application d'un faible champ magnétique peut améliorer de manière significative les performances de refroidissement des matériaux topologiques à basse température. Un chiffre de mérite thermoélectrique élevé(zT) de 1,7 ± 0,2 à 180 K et 0,7 T a été obtenu dans un isolant topologique monocristallin Bi88Sb12. Cette nouvelle découverte ouvre de nouvelles perspectives pour le refroidissement thermoélectrique à basse température, en dessous de 300 K, et marque une avancée décisive dans le domaine de la magnéto-thermoélectricité, en offrant une alternative rentable et économe en énergie aux méthodes de refroidissement traditionnelles.
Dans les monocristaux de l'isolant topologique Bi88Sb12, un chiffre de mérite thermoélectrique élevé zT de 1,7 a été atteint. Le graphique montre la dépendance de la température de zT dans des champs magnétiques de zéro et 0,7 Tesla.
Yu Pan, Nature materials / MPI CPfS
La technologie thermoélectrique est avantageuse pour les applications de refroidissement à basse température en raison de sa longue durée de vie, de l'absence de compresseur et de son faible niveau de bruit. Elle est utilisée, par exemple, dans l'industrie aérospatiale, bien que l'efficacité de la conversion de l'énergie thermoélectrique, en particulier à basse température, reste faible. Cela est dû à la dépendance de la température du facteur de mérite thermoélectrique zT.
Ces dernières années, grâce au développement des matériaux topologiques et de la théorie topologique, les thermoélectriques à basse température ont fait l'objet d'une attention croissante. Ici, une équipe de recherche conjointe de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides, de l'Université de Chongqing et de l'Institut Max Planck de physique des microstructures a obtenu un remarquable magnéto-zT proche de 2 à 180 K sous un faible champ magnétique de seulement 0,7 T dans l'isolant topologique Bi88Sb12 monocristallin, soit près de trois fois plus que la valeur du champ zéro. En outre, ce magnéto-zT élevé surpasse celui de tous les matériaux thermoélectriques à basse température connus.
Pour obtenir des performances magnéto-thermoélectriques élevées, l'étape clé consiste à faire croître des monocristaux de Bi1-xSbx de haute qualité. Il s'agit d'un défi majeur en raison de la miscibilité totale du Bi et du Sb, mais aussi des forts coefficients de ségrégation de phase, c'est-à-dire que la tendance à la ségrégation et à la formation de zones de compositions différentes est importante. Par conséquent, une technique de zone fondue flottante utilisant un équipement interne a été adoptée, ce qui a permis de produire des monocristaux de haute qualité avec une faible densité de porteurs d'environ1017 cm-3 et une mobilité élevée de plus de 4 ×105 cm²V-1s-1 à 80 K. Cette dernière, associée à la dispersion unique des bandes de Bi1-xSbx, est importante pour le facteur de mérite zT exceptionnellement élevé et l'extraordinaire pouvoir thermoélectrique magnétique de Bi1--xSbx.
D'après la modélisation théorique, la bande de Dirac avec une dispersion linéaire joue un rôle essentiel pour un effet magnéto-Seebeck important, qui est encore renforcé par le dédoublement Zeeman en raison du facteur g de Landé important. Étant donné que de nombreux matériaux topologiques présentent des caractéristiques similaires, telles qu'une dispersion linéaire de la bande de Dirac et une masse d'effet très faible (donc un facteur g élevé), on s'attend à ce que des performances magnéto-thermoélectriques élevées puissent également être trouvées dans d'autres matériaux topologiques émergents. "Nous pensons qu'une compréhension plus approfondie des propriétés magnéto-thermoélectriques du Bi1-xSbx facilitera le développement de thermoélectriques topologiques pour les applications de refroidissement à basse température. "C'est la conclusion des deux auteurs principaux, Yu Pan et Claudia Felser.
Ces résultats soutiennent l'idée d'utiliser de petits champs magnétiques pour augmenter de manière significative les performances thermoélectriques. Il est particulièrement intéressant de noter qu'il est possible d'atteindre des valeurs zT élevées avec des champs magnétiques relativement faibles, ce qui est réalisable à l'aide d'aimants permanents. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour des dispositifs de refroidissement thermoélectriques efficaces et peu coûteux. Les résultats ouvrent la voie à des recherches sur d'autres matériaux topologiques présentant des propriétés similaires et montrent qu'il est possible de repousser les limites en obtenant des réponses thermoélectriques considérables tout en s'approchant de la limite quantique, ce qui pourrait débloquer des efficacités sans précédent.
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Publication originale
Yu Pan, Bin He, Xiaolong Feng, Fan Li, Dong Chen, Ulrich Burkhardt, Claudia Felser; "A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12"; Nature Materials, Volume 24, 2025-1-3
"A weak magnetic field enhances the thermoelectric performance of topological materials"; Nature Materials, Volume 24, 2025-1-3
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