Première caractérisation complète des propriétés thermoélectriques extraordinaires des couches minces d’arséniure de cadmium

S’il y a une chose dans laquelle nous, les humains, excellons, c’est produire de la chaleur : des quantités importantes, et dans de nombreux cas, la majeure partie de l’énergie que nous générons et mettons dans nos systèmes, nous la perdons sous forme de chaleur, qu’il s’agisse de nos appareils électroménagers, de nos transports, de nos usines, voire de notre réseau électrique.

“La chaleur résiduelle est partout”, a déclaré Bolin Liao, professeur de génie mécanique à l’Université de Santa Barbara, spécialisé dans les sciences thermiques et les énergies renouvelables. “Nos centrales électriques, les pots d’échappement de nos voitures : il y a tellement d’endroits où nous générons un excès de chaleur.”

Pour l’instant, nous ne savons pas grand-chose sur la manière dont nous pouvons tirer le meilleur parti de cette chaleur dissipée. Mais Liao et ses collègues de l’UCSB, ainsi que des collaborateurs de l’Université d’État de l’Ohio et de l’Université de Hong Kong, progressent dans l’exploitation de cette chaleur, avec une première caractérisation complète des propriétés thermoélectriques de couches minces d’arséniure de cadmium de haute qualité.

“Si nous pouvions récupérer cette chaleur perdue, ce serait fantastique”, a-t-il déclaré. “Cela augmenterait vraiment notre efficacité énergétique et c’est aussi une source d’énergie vraiment durable.”

Les recherches de l’équipe sont publiées dans la revue Matériaux avancés.

Un meilleur matériau thermoélectrique

« Pour obtenir un rendement élevé, il faut que le matériau conduise bien l’électricité, conduise mal la chaleur et génère une tension élevée pour une différence de température donnée », explique Liao. Une mauvaise conduction thermique minimise la dissipation de chaleur tout en maintenant une différence de température à travers le matériau, ce qui entraîne un courant électrique renforcé par la conductivité électrique très performante du matériau. La tension résultant d’un gradient de température est connue sous le nom d’effet Seebeck.

Cette combinaison de propriétés de transport électrique et thermique est idéale, mais selon Liao, « très difficile à réaliser en pratique ».

Entrez l’arséniure de cadmium (Cd₃Comme₂), un semi-métal de Dirac aux propriétés de transport prometteuses, notamment une faible conductivité thermique et une mobilité électronique élevée.

« Nous étions très enthousiastes à propos de ce matériau et nous nous sommes dit : « OK, c’est vraiment une combinaison de ces deux excellentes propriétés », a déclaré Liao. « Mais il y a un seul problème. Ce problème est qu’en plus d’une bonne conduction électrique et d’une mauvaise conduction thermique, il faut également que ce matériau soit capable de générer suffisamment de tension sous un gradient de température. »

En tant que semi-métal, l’arséniure de cadmium est excellent pour conduire l’électricité très rapidement, mais il ne génère qu’une très faible tension Seebeck. Pour créer une tension utile, a expliqué Liao, il faudrait ouvrir une bande interdite.

« Il faut que ce matériau ait une certaine plage d’énergie dans laquelle les électrons ne peuvent pas conduire. C’est ce qu’on appelle une bande interdite », a-t-il expliqué. En raison de cette bande interdite, qui bloque essentiellement la libre circulation des électrons, une « pression » électrique (ou tension) suffisante peut s’accumuler en réponse à une différence de température à travers le matériau. Dans les cristaux d’arséniure de cadmium en vrac, il n’y a pas de bande interdite.

Heureusement, l’équipe avait un avantage : les prouesses de Susanne Stemmer, scientifique en matériaux à l’UCSB, en matière de couches minces. Grâce à son expertise en épitaxie par jets moléculaires (MBE), le laboratoire de Stemmer est capable de « faire pousser », molécule par molécule, des matériaux de haute qualité dont l’épaisseur varie de quelques nanomètres à plusieurs micromètres. Cela s’avère particulièrement utile dans le cas de l’arséniure de cadmium, car la surface du matériau présente des propriétés différentes de celles de la masse du cristal.

« L’une des caractéristiques des isolants topologiques est qu’en plus des états conducteurs d’électrons à l’intérieur du matériau en vrac, ils ont des canaux conducteurs en surface », a expliqué Liao. « Certains électrons ne résident qu’à la surface du matériau et ils peuvent conduire l’électricité. »

Pour préparer le terrain pour ces effets topologiques, le Stemmer Lab a créé trois films de haute qualité développés par MBE d’épaisseurs variables : 950 nm, 95 nm et 25 nm.

“Les mobilités élevées des films épitaxiaux d’arséniure de cadmium permettent de révéler leur nature topologique via des mesures de transport quantique”, a expliqué Stemmer.

L’équipe a constaté que plus le matériau était fin, plus il y avait de signes de bande interdite. Et plus le matériau était fin, plus les effets de surface dominaient.

“Fondamentalement, si vous allez dans des dimensions très basses, la mécanique quantique commence à jouer un rôle, et vous pouvez réellement ouvrir une bande interdite simplement en réduisant la taille”, a déclaré Liao, en raison d’un phénomène connu sous le nom de confinement quantique. Ils ont également constaté que plus le matériau est fin, plus la sensibilité thermoélectrique (appelée coefficient de Seebeck) est élevée, ce qui entraîne une tension plus élevée en réponse au gradient de température, une réponse sept fois supérieure à celle du matériau de pointe. .

Ces effets quantiques ont été découverts à des températures proches de zéro, donc bien qu’actuellement le Cd₃Comme₂ Les films minces ne peuvent pas être déployés pour des applications à température ambiante ou à haute efficacité thermique, a déclaré Liao, ils pourraient être plus immédiatement utiles dans les environnements cryogéniques, qui existent dans de nombreuses applications, telles que l’aérospatiale, la médecine et l’informatique quantique.

“Si vous utilisez un matériau solide très efficace pour le refroidissement, vous n’aurez pas besoin de réfrigérants dangereux et polluants”, a-t-il déclaré.

“En pratique, c’est une découverte très utile pour le refroidissement cryogénique à l’état solide à basse température”, a-t-il ajouté, “mais fondamentalement, ce travail est plus important car nous démontrons pour la première fois que cet effet de confinement quantique peut améliorer certaines propriétés thermoélectriques. , et aussi, pour la première fois, nous avons isolé la contribution des états de surface. »