Révéler l'énergie cachée : les merveilles thermoélectriques du tellurure de cadmium

ParisLes centrales électriques, les gaz d'échappement des voitures et les usines produisent un excès de chaleur. Bolin Liao, professeur en génie mécanique à l'université de Californie à Santa Barbara, et son équipe travaillent sur l'utilisation de cette chaleur. Ils ont étudié les propriétés thermoélectriques des films minces de haute qualité en arséniure de cadmium (Cd3As2).

Pour améliorer l'efficacité énergétique, les chercheurs s'efforcent de capter la chaleur résiduelle. Le matériau idéal pour cela doit bien conduire l'électricité, mal conduire la chaleur et générer une haute tension à partir d'une différence de température. Cette combinaison de propriétés est rare, mais le arséniure de cadmium semble prometteur.

Le cadmium-arséniure est une catégorie de matériau connu sous le nom de semi-métal de Dirac. Bien qu’il ne conduise pas bien la chaleur, il laisse les électrons se déplacer facilement. Cela le rend excellent pour la conduction électrique, mais il ne génère pas beaucoup de tension lorsqu’il y a une différence de température. Cette production de tension, appelée effet Seebeck, est cruciale pour les dispositifs convertissant la chaleur en électricité.

Pour générer une tension utile, une bande interdite est nécessaire. Une bande interdite est une plage d'énergie où les électrons ne peuvent pas conduire. Dans les cristaux massifs d'arséniure de cadmium, il n'y a pas de bande interdite. Voici ce qu'il faut accomplir :

• Haute conductivité électrique.
• Mauvaise conductivité thermique.
• Une tension importante sous un gradient de température.

L'équipe a tiré parti des compétences de Susanne Stemmer, scientifique spécialisée dans les matériaux à UCSB, experte en films minces. Son laboratoire fabrique des matériaux de haute qualité grâce à une méthode appelée épitaxie par jets moléculaires (MBE). Cette technique produit des matériaux dont l'épaisseur varie de quelques nanomètres à plusieurs micromètres.

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Dans le cadre de leur recherche, ils ont élaboré trois films de haute qualité en arséniure de cadmium de différentes épaisseurs :

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

Les matériaux plus fins présentent un écart de bande bien défini. À petite échelle, les mécanismes de la mécanique quantique, appelés confinement quantique, génèrent cet écart de bande. Cela augmente le coefficient Seebeck, ce qui améliore la production de tension.

L'étude a révélé qu'une matière plus fine améliore sa capacité à convertir la chaleur en électricité. Le coefficient Seebeck, qui mesure cette aptitude, était sept fois supérieur à celui du meilleur matériau disponible actuellement. Ces effets ont été observés à des températures très basses.

Les films minces de Cd3As2 ne sont pas encore adaptés à une utilisation à température ambiante, mais ils se révèlent efficaces dans des environnements très froids. Ces environnements froids sont souvent rencontrés dans des domaines tels que l'aérospatiale, la médecine et l'informatique quantique. Un bon matériau de refroidissement à l'état solide pourrait remplacer les réfrigérants nocifs.

Cette découverte est utile pour les applications à basse température et montre que la confinement quantique peut améliorer les propriétés thermoélectriques. Les chercheurs sont les premiers à mettre en évidence la contribution des états de surface. Ce travail est crucial tant pour une meilleure compréhension que pour des applications pratiques.