Une équipe de recherche a découvert comment rendre un matériel prometteur d'énergie beaucoup plus efficace, sans s'appuyer sur des éléments rares ou coûteux. Le matériau, appelé β-zn4Sb3est un composé thermoélectrique sans tellure qui peut convertir la chaleur des déchets en électricité.
Dans leur étude publiée dans Science avancéeles scientifiques ont utilisé des techniques avancées de diffusion de neutrons pour jeter un œil à l'intérieur du cristal et ont trouvé quelque chose de surprenant: de minuscules vibrations thermiques (appelées phonons) étaient perturbées par des atomes de « cliquetis » à l'intérieur de la structure. Ce phénomène, connu sous le nom de phonon a évité la traversée, a radicalement ralenti comment la chaleur se déplace à travers le matériau.
Grâce à cet effet, la conductivité thermique du matériau a chuté à des niveaux extrêmement faibles – de grandes nouvelles pour les performances thermoélectriques. Encore mieux, les chercheurs ont constaté que la version monocristalline de ce matériau conduit également à l'électricité mieux que son homologue polycristallin, atteignant une efficacité de conversion de puissance élevée de 1,4%.
Ces résultats montrent que le contrôle des phonons intelligents peut entraîner des matériaux à haute performance et respectueux de l'environnement pour convertir la chaleur en puissance.
Dans les matériaux thermoélectriques, le passage évité fait référence à l'interaction entre les phonons de propagation et les modes vibrationnels localisés, où leurs dispersions d'énergie se repoussent plutôt que d'interrection. Ce phénomène se produit dans des conditions spécifiques, telles que les symétries cristallines ou les couplages en mode vibrationnel.
Cependant, lorsque les chercheurs ont développé le β-Zn un seul cristal4Sb3ils ont observé un passage à niveau inattendu et évité, révélant un comportement phonon unique qui s'écartait des matériaux thermoélectriques conventionnels.
L'article explore les performances thermoélectriques du β-Zn monocristallin4Sb3un matériau sans tellurium, en découvrant les mécanismes microscopiques qui conduisent à sa conductivité thermique ultralo-réseau (κL).
En utilisant la diffusion inélastique des neutrons (INS), les chercheurs fournissent la première observation expérimentale du passage évité entre les phonons acoustiques longitudinaux et les modes de cliquetis à faible énergie. Cette interaction provoque une réduction significative de la vitesse du groupe phonon – de plus de 4000 m / s à environ 591 m / s – et raccourcit la durée de vie des phonons à moins de 1 picoseconde, qui contribuent tous deux à un transport de chaleur fortement supprimé.
Le β-zn4Sb3 Un seul cristal réalise un κL d'environ 0,36 W / m · k dans la plage de 300 à 600 k et une figure thermoélectrique de maximum de mérite (ZT) de 1,0 à 623 K.4Sb3.
Les caractérisations structurelles via TEM révèlent un réseau sans grain sans grain avec des franges de moiré uniformément distribuées, attribuées aux variations de concentration de Zn.
Ces caractéristiques à l'échelle nanométrique améliorent encore la diffusion des phonons sans dégrader les performances électroniques. Par rapport aux échantillons polycristallins, le monocristal présente une conductivité électrique significativement meilleure en raison de moins de défauts et de la mobilité optimisée des porteurs.
« Cette découverte montre comment le flux de chaleur peut être conçu pour concevoir des technologies énergétiques plus efficaces et durables, sans les ressources rares », explique le professeur Hsin-Jay Wu.
