Le séléniure de cuivre (Cu₂se) attire l'intérêt scientifique pour sa capacité thermoélectrique à convertir la chaleur en électricité, mais un manque de compréhension au niveau atomique a limité ses applications pratiques pendant des décennies.
Un nouveau cadre informatique développé par les ingénieurs de l'Université du Michigan et les collaborateurs européens calcule avec précision les propriétés électroniques et les vibrations atomiques dans la structure cristalline, selon une étude publiée dans Lettres d'examen physique.
« Il y a tellement d'effets enchevêtrés comme un nœud, mais notre nouvelle méthode se sépare chacune individuellement avec de faibles coûts de calcul », a déclaré Yuxuan Wang, doctorant en sciences et ingénierie des matériaux chez UM et auteur principal de l'étude.
Ces résultats aideront à développer des dispositifs thermoélectriques capables de récolter l'électricité à partir de la chaleur des déchets dans les centrales nucléaires ou les échappements de voiture. Parce que les thermoélectriques fonctionnent dans les deux directions – l'application d'un courant électrique crée un côté chaud et un côté froid – le sélénide de cuivre pourrait également alimenter les radiateurs ou les réfrigérateurs qui fonctionnent plus efficacement et silencieusement que les systèmes conventionnels sans turbines, ventilateurs, pompes, pompes ou pistons.
Avec la chaleur et l'électricité comme seule entrée et sortie, ces dispositifs thermoélectriques ne libéreraient pas les émissions dangereuses, et le séléniure de cuivre lui-même est non toxique et relativement abondant par rapport aux autres composés thermoélectriques.
Un mal de tête informatique
Le séléniure de cuivre est particulièrement difficile à modéliser car les ions cuivrés sont superioniques, ce qui signifie qu'ils sautent avec une mobilité de type liquide dans un solide. Le mouvement constant en cuivre crée une structure dynamique et asymétrique.
Les méthodes de calcul traditionnelles exploitent la symétrie cristalline en modélisant un petit groupe d'atomes pour prédire toute la structure et les propriétés du cristal. Mais les ions mobiles du sélénide de cuivre créent d'innombrables configurations atomiques possibles, ce qui rend les calculs prohibitifs. Ces méthodes traditionnelles ont également du mal à séparer les effets de température (vibrations thermiques) du comportement quantique fondamental.
Pour ces raisons, les prédictions théoriques des propriétés du séléniure de cuivre ne correspondent pas aux mesures expérimentales. Bien que les modèles de calcul prédisent le séléniure de cuivre devraient être un métal, les expériences montrent qu'elle se comporte comme un semi-conducteur.
Les chercheurs n'ont également pas réussi à calculer avec précision la bande interdite, qui détermine la conductivité électrique, et les modèles de vibration atomique connus sous le nom de densité phonon des états, qui ont un impact sur la conductivité thermique. Les phonons sont des unités quantiques de vibration de matériau.
Modélisation des atomes de cuivre mobiles
L'équipe de recherche a construit le nouveau cadre pour prédire comment les atomes de cuivre se déplacent ou sont déplacés, dans le matériau. Il est basé sur la méthode de déplacement spécial anharmonique (ASDM), qui utilise des équations mathématiques pour prédire la distance et la direction des déplacements des atomes de cuivre et comment ils changent avec la température.
En calculant les positions à moyenne thermodynamique, les atomes de cuivre adopteraient à une température donnée, le modèle capture le comportement du sélénide de cuivre en utilisant un seul instantané de calcul au lieu de centaines, améliorant l'efficacité de calcul. La méthode transforme les mouvements dynamiques complexes en une image quasi-statique.
Le nouveau cadre quasi-statique rend la simulation de matériaux superioniques plus précis et abordables en calculant les positions des ions cuivre à chaque température.
La modélisation avec le «cadre polymorphe quasi-statique» prédisait correctement que le séléniure de cuivre est un semi-conducteur et reproduit avec précision comment la bande interdite se rétrécit avec une température accrue, correspondant aux observations expérimentales.
Le nouveau modèle a contribué à résoudre un débat de plusieurs décennies sur la conduction thermique dans le séléniure de cuivre. Les matériaux thermoélectriques doivent bien conduire l'électricité et entraîner mal la chaleur pour maintenir les différentiels de température, mais les chercheurs sont en désaccord sur la façon dont le mouvement des ions cuivrés crée une faible conductivité thermique.
« Alors que certains s'attendaient à ce que la diffusion des ions cuivrères à longue portée ou les vibrations anharmoniques ait provoqué la faible conductivité thermique, ces facteurs ne contribuent que des effets mineurs.
Les vibrations de l'ion de cuivre dans la pyramide sont «surdampées», ce qui signifie qu'au lieu de former un mouvement de type onde organisé pour transporter la chaleur, leur mouvement chaotique disperse plutôt les phonons de chaleur.
« Ce nouveau cadre de calcul aidera à simuler et à concevoir des matériaux surintensibles encore plus efficaces pour une variété d'applications énergétiques, des réfrigérateurs silencieux aux batteries et appareils à semi-conducteurs pour transformer la chaleur des déchets en électricité », a déclaré Pierre Ferdinand Pouteu, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à UM et auteur principal de l'étude.
L'Université de Rennes a également contribué à cette recherche.
