Décrire la structure des matériaux thermoélectriques pour prédire leurs propriétés

Pour satisfaire nos besoins croissants en énergie dans un contexte de développement durable, les systèmes thermoélectriques pourraient jouer un rôle croissant dans la production d’électricité à partir de sources de chaleur perdue. L’effet thermoélectrique repose sur une différence de température entre deux matériaux conducteurs qui fait naître une différence de potentiel à leurs jonctions, et donc un courant. C’est l’effet Seebeck. Cet effet est notamment exploité dans les générateurs « radioisotopiques » des sondes et rovers pour l’exploration spatiale lointaine. Le processus inverse, appelé effet Peltier et exploité pour le refroidissement, permet d’induire un gradient de température par l’application d’un courant électrique aux bornes des matériaux.

Pour obtenir un bon rendement de conversion de l’énergie thermique en électricité, les matériaux doivent présenter une conductivité thermique aussi faible que possible et une conductivité électrique maximale. Les scientifiques du Laboratoire de cristallographie et science des matériaux (CNRS/Université de Caen/ENSICAEN) étudient depuis plusieurs années la structure cristalline de matériaux sulfures. Ils cherchent à mieux comprendre le rôle de la structure sur les propriétés électriques et thermiques dans le but d’améliorer les performances thermoélectriques des matériaux et de développer ainsi des systèmes thermoélectriques à même d’être utilisés dans de nombreux domaines (bâtiment, industrie, microélectronique…).

Dans le cadre d’une coopération internationale*, deux études publiées dans le Journal of the American Chemical Society viennent de montrer comment la coordination et la nature des éléments au sein de la structure cristalline de composés sulfures gouvernent l’arrangement du réseau cristallin, les liaisons chimiques, les modes de vibration, et in fine, les propriétés thermoélectriques.

Pour analyser la structure des micro-cristaux qui composent les matériaux synthétisés au laboratoire CRISMAT, les chercheurs ont notamment utilisé la diffraction par précession des électrons en mode tomographie, une technique de pointe développée dans ce même laboratoire. Cette technique permet de sonder des zones de seulement quelques dizaines de nanomètres et d’analyser en détails la structure des matériaux. Les résultats obtenus, couplés notamment à des calculs théoriques, montrent comment les faibles liaisons atomiques dans des structures de basse dimensionalité (1D ou 2D) et la forte vibration des atomes influent sur les propriétés. Des résultats qui permettent d’établir quels types de réseau cristallin seraient susceptibles de générer des conductivités thermiques faibles et des conductivités électriques élevées pour développer de nouveaux matériaux thermoélectriques performants. Avec de nouvelles applications comme par exemple la récupération de la chaleur corporelle ou la climatisation plus efficace des bâtiments.

* Avec l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, l’Institut Jean Lamour à Nancy, la Chine, l’Inde et les Etats-Unis.

Rédacteur : CCdM