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.

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Les matériaux thermoélectriques ont la capacité de transformer la chaleurchaleur 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 électriquecourant 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 électriquerésistance électrique et λ la conductivité thermiqueconductivité thermique. Pour faire simple, plus ZT est élevé, plus le matériaumatériau 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 alliagealliage de ferfer, de vanadiumvanadium, de tungstènetungstène et d'aluminiumaluminium (Fe2V0,8W0,2Al) appliqué sur un cristal de siliciumsilicium.

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
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 physiquephysique des solidessolides 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 métalmétal, 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-conducteursemi-conducteur ou un isolantisolant, S 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 Fe<sub>2</sub>V<sub>0,8</sub>W<sub>0,2</sub>Al déposé sur le cristal de silicium (en gris foncé). © B.Hinterleitner et al., <em>Nature</em>, 2019.
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 atomesatomes 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 vibrationsvibrations 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 micromètremicromètre), il est inutile d'espérer générer une quantité importante d'énergieénergie. Mais les chercheurs entrevoient tout de même de nombreuses applicationsapplications 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 capteurscapteurs 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.