De nouveaux matériaux hybrides comme thermoélectriques efficaces
Une équipe internationale dirigée par Fabian Garmroudi a réussi à fabriquer de nouveaux matériaux thermoélectriques efficaces qui pourraient concurrencer les matériaux traditionnels, coûteux et instables.
Les matériaux thermoélectriques permettent de convertir directement la chaleur en énergie électrique. Cela les rend particulièrement attrayants pour l'"Internet des objets" naissant, par exemple pour l'alimentation autonome en énergie de microcapteurs et d'autres composants électroniques minuscules. Pour rendre ces matériaux encore plus efficaces, il faut en même temps contenir les vibrations du réseau et augmenter la mobilité des électrons - un obstacle sur lequel la recherche a souvent échoué jusqu'à présent.
Grâce à une nouvelle méthode, une équipe internationale dirigée par Fabian Garmroudi est parvenue à développer des matériaux hybrides qui remplissent les deux objectifs - diminution de la cohérence des oscillations de grille et augmentation de la mobilité des porteurs de charge. La clé : un mélange de deux matériaux aux propriétés mécaniques fondamentalement différentes, mais aux propriétés électroniques similaires.
Fabian Garmroudi
© David Visnjic
De nouvelles propriétés grâce à une nouvelle combinaison de matériaux
Les bons matériaux thermoélectriques sont ceux qui, d'une part, conduisent bien l'électricité et, d'autre part, transportent le moins possible la chaleur - une contradiction apparente, car les bons conducteurs électriques sont généralement aussi de bons conducteurs de chaleur.
"Dans la matière solide, la chaleur est transmise à la fois par les porteurs de charge conducteurs d'électricité et par les oscillations des atomes dans le réseau cristallin. Dans les matériaux thermoélectriques, nous essayons avant tout de supprimer le transport de chaleur par les vibrations du réseau, car elles ne contribuent pas à la conversion d'énergie", explique le premier auteur Fabian Garmroudi, qui a obtenu son doctorat à l'Université technique de Vienne et travaille désormais comme Director`s Postdoctoral Fellow au Los Alamos National Laboratory (États-Unis). Au cours des dernières décennies, la recherche sur les matériaux a développé des méthodes raffinées pour concevoir des matériaux thermoélectriques à très faible conductivité thermique.
"Soutenu par le prix d'encouragement Lions, j'ai pu développer de nouveaux matériaux hybrides présentant des propriétés thermoélectriques exceptionnelles au National Institute for Materials Science au Japon", se souvient Garmroudi de son séjour de recherche à Tsukuba (Japon), effectué dans le cadre de son travail à l'université technique de Vienne. Concrètement, de la poudre d'un alliage de fer, de vanadium, de tantale et d'aluminium (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) a été mélangée à une poudre de bismuth et d'antimoine (Bi0.9Sb0.1) et comprimée sous haute pression et à haute température pour former un matériau compact. En raison de leurs propriétés chimiques et mécaniques différentes, les deux composants ne se mélangent toutefois pas au niveau atomique. Au lieu de cela, le matériau BiSb se dépose de préférence sur les interfaces de taille micrométrique entre les cristaux de l'alliage FeVTaAl.
Le transport de chaleur et de charge est découplé
Les structures réticulaires des deux matériaux, et donc leurs oscillations de réseau autorisées par la mécanique quantique, sont si différentes que les oscillations thermiques ne peuvent pas se transmettre facilement d'un cristal à l'autre. Le transport de chaleur est donc fortement inhibé au niveau des interfaces. En même temps, le mouvement des porteurs de charge reste libre en raison de la structure électronique similaire et est même nettement accéléré le long des interfaces. La raison : le matériau BiSb forme à cet endroit ce que l'on appelle une phase d'isolant topologique - une classe particulière de matériaux quantiques qui sont isolants à l'intérieur, mais qui permettent un transport de charge presque sans perte à la surface.
Grâce à ce découplage ciblé du transport de chaleur et de charge, l'équipe a réussi à augmenter l'efficacité du matériau de plus de 100 %. "Nous faisons ainsi un grand pas vers notre objectif de développer un matériau thermoélectrique qui puisse rivaliser avec les composés à base de tellurure de bismuth disponibles dans le commerce", explique Garmroudi. Ce dernier a été développé dès les années 1950 et est toujours considéré comme l'étalon-or des thermoélectriques. Le grand avantage des nouveaux matériaux hybrides : ils sont nettement plus stables et moins chers.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Fabian Garmroudi, Illia Serhiienko, Michael Parzer, Sanyukta Ghosh, Pawel Ziolkowski, Gregor Oppitz, Hieu Duy Nguyen, Cédric Bourgès, Yuya Hattori, Alexander Riss, Sebastian Steyrer, Gerda Rogl, Peter Rogl, Erhard Schafler, Naoyuki Kawamoto, Eckhard Müller, Ernst Bauer, Johannes de Boor, Takao Mori; "Decoupled charge and heat transport in Fe2VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks"; Nature Communications, Volume 16, 2025-3-26
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