Pour répondre à nos besoins énergétiques croissants 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 résiduelle. L’effet thermoélectrique repose sur une différence de température entre deux matériaux conducteurs qui donne lieu à une différence de potentiel à leurs jonctions, et donc à un courant. C’est l’effet Seebeck. Cet effet est particulièrement exploité dans les générateurs de « radio-isotopes » des sondes et des rovers destinés à l’exploration de l’espace lointain. Le processus inverse, appelé effet Peltier et utilisé pour le refroidissement, permet d’induire un gradient de température en appliquant un courant électrique aux travers des matériaux.
Pour obtenir une bonne efficacité dans la conversion de l’énergie thermique en électricité, les matériaux doivent avoir une conductivité thermique la plus faible 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 des matériaux sulfurés. 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 ainsi développer des systèmes thermoélectriques susceptibles d’être utilisés dans de nombreux domaines (bâtiment, industrie, microélectronique). …).
Dans le cadre de la coopération internationale*, deux études publiées dans le Journal de l’American Chemical Society viennent de montrer comment la coordination et la nature des éléments au sein de la structure cristalline des composés sulfurés régissent la disposition du réseau cristallin, les liaisons chimiques, les modes de vibration et finalementpropriétés thermoélectriques.
Pour analyser la structure des microcristaux qui composent les matériaux synthétisés au laboratoire CRISMAT, les chercheurs ont utilisé la diffraction par précession électronique en mode tomographie, une technique de pointe développée dans le même laboratoire. Cette technique permet de sonder des zones de quelques dizaines de nanomètres seulement et d’analyser en détail la structure des matériaux. Les résultats obtenus, couplés notamment à des calculs théoriques, montrent comment les faibles liaisons atomiques dans les structures de faible dimension (1D ou 2D) et la forte vibration des atomes influencent les propriétés. Des résultats qui permettent d’établir quels types de réseaux cristallins seraient susceptibles de générer de faibles conductivités thermiques et conductivités électriques élevées pour développer de nouveaux matériaux thermoélectriques hautes performances. Avec de nouvelles applications comme la récupération de la chaleur corporelle ou une climatisation plus efficace des bâtiments.
* Avec l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes, l’Institut Jean Lamour de Nancy, la Chine, l’Inde et les Etats-Unis.
Editeur : CCdM
