La nanostructuration, un atout pour les propriétés thermoélectriques ?

Les matériaux thermoélectriques sont au cœur de technologies permettant de convertir la chaleur en électricité. On les trouve dans des dispositifs variés comme les réfrigérateurs, les générateurs pour des sondes spatiales ou même pour récupérer la chaleur des moteurs industriels. Ces matériaux possèdent la particularité de produire une tension électrique sous l’effet d’un flux de chaleur qui les traverse par un effet appelé « effet Seebeck ». Le phénomène inverse, à savoir l’apparition d’un gradient de température sous l’application d’une tension électrique, relève de l’effet Peltier. L’efficacité thermoélectrique de ces matériaux requiert à la fois une très bonne conductivité électrique associée à une faible conductivité thermique.
Un des matériaux thermoélectriques les plus utilisés dans ce domaine est l’alliage Bi₀,₄Sb₁,₆Te₃. Il est performant à température ambiante ce qui le rend idéal pour des applications telles que les refroidisseurs Peltier qui servent à refroidir des composants électroniques sensibles. Une des stratégies envisagées pour améliorer davantage ses performances est de réduire sa conductivité thermique. 
Les études menées jusqu’à présent suggèrent qu’une amélioration significative pourrait être obtenue grâce à une technique de trempe ultra-rapide appelée "melt-spinning" qui consiste à refroidir très rapidement un alliage en fusion. Cette méthode permet de créer dans le matériau des nanostructures susceptibles de réduire sa conductivité thermique et donc d’améliorer les rendements thermoélectriques.
Les travaux menés par des scientifiques de l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine), en collaboration avec plusieurs équipes européennes, montrent que cette approche pourrait ne pas produire les résultats escomptés. Publiés dans la revue Nature Communications, ils montrent que les échantillons traités par trempe ultra-rapide ne présentent pas la diminution significative de la conductivité thermique de réseau observée dans les matériaux fabriqués par les méthodes conventionnelles. Un résultat qui va à l’encontre de l’idée communément admise selon laquelle la nanostructuration induite par la trempe rapide diminuerait la conductivité thermique en augmentant la densité de dislocations et de défauts dans ces matériaux.
Ils attribuent ce phénomène à des processus de diffusion inélastique des porteurs de charge qui affectent le transport thermique de manière plus complexe que prévu et qui expliquent les résultats erronés des recherches antérieures. 
Ces travaux montrent que la trempe ultra-rapide ne diminue pas significativement la conductivité thermique de réseau. Pour progresser dans la compréhension des performances thermiques de ces matériaux et améliorer leurs performances thermoélectriques, il est maintenant nécessaire de prendre en compte des phénomènes complexes qui échappent aux modèles traditionnels.

Rédacteur : CCdM