Les chercheurs de l’Université de Vienne ont inventé un matériau à l’efficacité thermoélectrique doublée par rapport aux meilleurs alliages actuels. © Université de Vienne
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Ce nouveau matériau bat le record de conversion de chaleur en électricité

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Un bon matériau thermoélectrique doit concilier une faible résistance électrique et une faible conductivité thermique. Deux propriétés a priori antagonistes qu'ont pourtant réussi à associer des chercheurs au sein d'un même alliage. Ce matériau pourrait servir à alimenter des capteurs autonomes ou des dispositifs médicaux récupérant la chaleur du corps.

Les matériaux thermoélectriques ont la capacité de transformer la chaleur en électricité grâce à l’effet Seebeck. Ce dernier exploite la différence de température entre deux matériaux de conductivité différente, ce qui génère un écart de potentiel entre les deux blocs et donc un courant électrique. La performance d'un matériau thermoélectrique pour un écart de température donné, aussi nommée « facteur de mérite », est notée ZT = S2T/(ρλ) où S est le coefficient Seebeck, ρ la résistance électrique et λ la conductivité thermique. Pour faire simple, plus ZT est élevé, plus le matériau est efficace pour transformer la chaleur en électricité. À température ambiante, les matériaux les plus performants atteignent aujourd'hui des valeurs ZT de 2,5 ou 2,8. Le 14 novembre dernier, une équipe de l'université de Vienne a pourtant réussi à pratiquement doubler ce chiffre avec un matériau ayant un facteur de mérite ZT compris entre 5 et 6. Il s'agit d'une fine couche d'un alliage de fer, de vanadium, de tungstène et d'aluminium (Fe2V0,8W0,2Al) appliqué sur un cristal de silicium.

L’effet Seebeck exploite la différence de température entre deux matériaux de conductivité différente, ce qui génère un courant électrique entre les deux bornes. © Nist

Bonne conductivité électrique et faible conductivité thermique : deux propriétés difficiles à concilier

L'amélioration du facteur de mérite est une tâche très délicate. « Un bon matériau thermoélectrique doit répondre à deux exigences a priori difficiles à concilier », explique Ernst Bauer, de l'Institut de physique des solides de l'Université technique de Vienne et co-auteur de l'étude parue dans Nature. « Il doit en même temps avoir la meilleure conductivité électrique possible et d'autre part, minimiser au maximum la conductivité thermique. C'est un véritable défi car les deux facteurs sont étroitement liés ». Dans un métal, la résistance électrique ρ est ainsi très faible, mais S est typiquement de quelques μV/K, ce qui fait chuter la grandeur S2ρ (appelée « facteur de puissance »). À l'inverse, dans un semi-conducteur ou un isolantS est très élevé (quelques mV/K), mais la très forte valeur de ρ rend le facteur de puissance quasiment nul.

L’image composite de l’alliage Fe2V0,8W0,2Al déposé sur le cristal de silicium (en gris foncé). © B.Hinterleitner et al., Nature, 2019.

Une disposition d'atomes aléatoire qui inhibe la transmission thermique

Le secret de l'alliage mis au point par les chercheurs autrichiens réside dans sa structure qui change radicalement lorsqu'on l'applique sur le silicium. « En temps normal, les atomes de ce matériau sont disposés de façon strictement régulière dans un réseau cubique, où la distance entre chaque atome est toujours la même, détaille Ernst Bauer. Mais lorsqu'une fine couche est déposée sur le cristal de silicium, les atomes, tout en restant dans une structure cubique, changent de position de façon totalement aléatoire. L'atome de fer peut ainsi se retrouver à côté de celui du vanadium ou encore de l'aluminium,  de sorte que la distance entre eux ne suit plus aucune règle ». Ce mélange entre une structure cubique régulière et la disposition aléatoire des atomes modifie les propriétés électroniques du matériau, qui offre du coup une faible résistance électrique ρ. Mais la configuration irrégulière des atomes inhibe aussi les vibrations moléculaires, qui induisent habituellement une forte transmission thermique. On obtient ainsi les deux effets contradictoires recherchés.

Des capacités limitées mais avec de nombreuses applications

Étant donné la minceur de la couche d'alliage (environ un micromètre), il est inutile d'espérer générer une quantité importante d'énergie. Mais les chercheurs entrevoient tout de même de nombreuses applications possibles. Les modules thermoélectriques sont par exemple très appréciés dans les  dispositifs de récupération de chaleur perdue pour alimenter de façon autonome de petits équipements électriques. « Dans une usine, vous ne pouvez pas câbler tous les capteurs ensemble. Il est beaucoup plus pertinent de disposer de capteurs qui génèrent leur propre énergie à l'aide d'un petit dispositif thermoélectrique », explique Ernst Bauer. Ce type de matériau permettrait en outre d'exploiter la chaleur du corps pour des capteurs de surveillance médicale.

  • Des chercheurs de l’université de Vienne ont mis au point un alliage capable de transformer la chaleur en électricité avec une efficacité inégalée.
  • Cette performance est liée à l’arrangement de ses atomes disposés dans une structure à la fois régulière et irrégulière.
  • Ce nouveau matériau thermoélectrique pourrait être utilisé pour des capteurs autonomes ou des dispositifs médicaux.
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