Illustration de nanopiliers utilisés dans une nouvelle conception pour convertir efficacement l’énergie thermique en électricité. Crédit : S. Kelley/NIST
Une équipe du NIST et de l’université du Colorado Boulder a mis au point un nouveau dispositif utilisant des nanopiliers de nitrure de gallium sur silicium qui améliore considérablement la conversion de la chaleur en électricité. Ce dispositif pourrait permettre de récupérer de grandes quantités d’énergie thermique perdue, ce qui serait bénéfique pour les industries et les réseaux électriques.
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont fabriqué un nouveau dispositif qui pourrait améliorer considérablement la conversion de la chaleur en électricité. Si elle est perfectionnée, cette technologie pourrait permettre de récupérer une partie de l’énergie thermique qui est gaspillée aux États-Unis à raison d’environ 100 milliards de dollars par an.
La nouvelle technique de fabrication, mise au point par Kris Bertness, chercheur au NIST, et ses collaborateurs, consiste à déposer des centaines de milliers de colonnes microscopiques de nitrure de gallium sur une plaquette de silicium. Les couches de silicium sont ensuite retirées de la face inférieure de la plaquette jusqu’à ce qu’il ne reste plus qu’une fine feuille de matériau. L’interaction entre les colonnes et la feuille de silicium ralentit le transport de la chaleur dans le silicium, ce qui permet de convertir une plus grande partie de la chaleur en courant électrique. Bertness et ses collaborateurs de l’université du Colorado à Boulder ont récemment publié leurs conclusions dans la revue Advanced Materials.
Une fois la méthode de fabrication perfectionnée, les feuilles de silicium pourraient être enroulées autour de tuyaux de vapeur ou d’échappement pour convertir les émissions de chaleur en électricité qui pourrait alimenter des appareils proches ou être acheminée vers un réseau électrique. Une autre application potentielle serait le refroidissement des puces informatiques.
En faisant croître des nanopiliers au-dessus d’une membrane de silicium, les scientifiques du NIST et leurs collègues ont réduit la conduction thermique de 21 % sans réduire la conductivité électrique, un résultat qui pourrait stimuler considérablement la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique. Dans les solides, l’énergie thermique est transportée par les phonons, des vibrations périodiques des atomes dans un réseau cristallin. Certaines vibrations des phonons de la membrane entrent en résonance avec celles des nanopilliers, ce qui ralentit le transfert de chaleur. Mais surtout, les nanopilliers ne ralentissent pas le mouvement des électrons, de sorte que la conductivité électrique reste élevée, créant ainsi un matériau thermoélectrique de qualité supérieure. Crédit : S. Kelley/NIST
L’étude du NIST et de l’université du Colorado repose sur un curieux phénomène découvert pour la première fois par le physicien allemand Thomas Seebeck. Au début des années 1820, Seebeck étudiait deux fils métalliques, chacun composé d’un matériau différent, qui étaient reliés aux deux extrémités pour former une boucle. Il a observé que lorsque les deux jonctions reliant les fils étaient maintenues à des températures différentes, l’aiguille d’une boussole située à proximité était déviée. D’autres scientifiques ont rapidement compris que cette déviation était due au fait que la différence de température induisait une tension entre les deux régions, faisant circuler le courant de la région la plus chaude vers la région la plus froide. Ce courant a créé un champ magnétique qui a fait dévier l’aiguille de la boussole.
En théorie, l’effet Seebeck pourrait être un moyen idéal de recycler l’énergie thermique qui serait autrement perdue. Mais il y a un obstacle majeur. Un matériau doit mal conduire la chaleur afin de maintenir une différence de température entre deux régions et conduire extrêmement bien l’électricité pour convertir la chaleur en une quantité substantielle d’énergie électrique. Pour la plupart des substances, cependant, la conductivité thermique et la conductivité électrique vont de pair ; un mauvais conducteur thermique est un mauvais conducteur électrique et vice versa.
En étudiant la physique de la conversion thermoélectrique, le théoricien Mahmoud Hussein, de l’université du Colorado, a découvert que ces propriétés pouvaient être découplées dans une fine membrane recouverte de nanopilliers – des colonnes de matériau debout dont la longueur ne dépasse pas quelques millionièmes de mètre, soit environ un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain. Cette découverte est à l’origine de la collaboration avec Bertness.
En utilisant les nanopilliers, Bertness, Hussein et leurs collègues ont réussi à dissocier la conductivité thermique de la conductivité électrique dans la feuille de silicium – une première pour n’importe quel matériau et une étape importante pour permettre une conversion efficace de la chaleur en énergie électrique. Les chercheurs ont réduit la conductivité thermique de la feuille de silicium de 21 % sans diminuer sa conductivité électrique ni modifier l’effet Seebeck.
Dans le silicium et d’autres solides, les atomes sont contraints par des liaisons et ne peuvent pas se déplacer librement pour transmettre la chaleur. Par conséquent, le transport de l’énergie thermique prend la forme de phonons – des vibrations collectives mobiles des atomes. Les nanopiliers de nitrure de gallium et la feuille de silicium transportent tous deux des phonons, mais ceux qui se trouvent à l’intérieur des nanopiliers sont des ondes stationnaires, bloquées par les parois des minuscules colonnes, de la même manière qu’une corde de guitare vibrante est maintenue fixe à ses deux extrémités.
L’interaction entre les phonons se déplaçant dans la feuille de silicium et les vibrations des nanopilliers ralentit les phonons qui se déplacent, ce qui rend plus difficile le passage de la chaleur à travers le matériau. Cela réduit la conductivité thermique, augmentant ainsi la différence de température d’une extrémité à l’autre. Fait tout aussi important, l’interaction des phonons accomplit cette prouesse tout en laissant inchangée la conductivité électrique de la feuille de silicium.
L’équipe travaille maintenant sur des structures fabriquées entièrement en silicium et avec une meilleure géométrie pour la récupération de chaleur thermoélectrique. Les chercheurs espèrent démontrer un taux de conversion de la chaleur en électricité suffisamment élevé pour rendre leur technique économiquement viable pour l’industrie.
Référence : « Semiconductor Thermal and Electrical Properties Decoupled by Localized Phonon Resonances » par Bryan T. Spann, Joel C. Weber, Matt D. Brubaker, Todd E. Harvey, Lina Yang, Hossein Honarvar, Chia-Nien Tsai, Andrew C. Treglia, Minhyea Lee, Mahmoud I. Hussein et Kris A. Bertness, 23 mars 2023, Advanced Materials.
DOI : 10.1002/adma.202209779
Cette recherche a été financée en partie par l’Advanced Research Projects Agency-Energy du ministère de l’énergie.