Dans la recherche de options à des problèmes environnementaux qui ne cessent de s’aggraver, tels que l’épuisement des combustibles fossiles et le changement climatique, beaucoup se sont tournés vers le potentiel des matériaux thermoélectriques pour produire de l’énergie. Ces matériaux présentent ce que l’on appelle l’effet thermoélectrique, qui crée une différence de stress lorsqu’il existe un gradient de température entre les côtés du matériau. Ce phénomène peut être exploité pour produire de l’électricité en utilisant l’énorme quantité de chaleur résiduelle générée par l’activité humaine, comme celle des cars et des centrales thermiques, offrant ainsi une substitute écologique pour satisfaire nos besoins énergétiques.




Le siliciure de magnésium (Mg2Si) est un matériau thermoélectrique particulièrement prometteur avec un « chiffre de mérite » (ZT) élevé – une mesure de ses performances de conversion. Bien que les scientifiques aient précédemment noté que le dopage du Mg2Si avec une petite quantité d’impuretés améliore son ZT en augmentant sa conductivité électrique et en réduisant sa conductivité thermique, les mécanismes sous-jacents derrière ces changements étaient inconnus – jusqu’à présent.

Remark les impuretés améliorent un matériau thermoélectrique au niveau atomique

Dans une récente étude conjointe publiée en tant qu’article vedette dans Applied Physics Letters, des scientifiques de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), du Japan Synchrotron Radiation Investigation Institute (JASRI) et de l’Université de Shimane, au Japon, se sont associés pour découvrir les mystères derrière l’amélioration effectiveness du Mg2Si dopé à l’antimoine (Sb). Le Dr Masato Kotsugi de TUS, qui est l’auteur correspondant de l’étude, explique leur drive: « Bien qu’il ait été constaté que les impuretés Sb augmentent le ZT de Mg2Si, les changements qui en résultent dans la framework locale et les états électroniques qui provoquent cet effet n’ont pas été Cette info est essentielle pour comprendre les mécanismes derrière les performances thermoélectriques et améliorer la prochaine génération de matériaux thermoélectriques.  »




Mais comment pourraient-ils analyser les effets des impuretés Sb sur Mg2Si au niveau atomique comme l’expliquent le Dr Masato Kotsugi et M. Tomoyuki Kadono, premier auteur de l’étude: « EXAFS nous permet de identifier la composition locale autour d’un atome excité et a une forte sensibilité envers les éléments dilués (impuretés) dans le matériau, qui peuvent être identifiés avec précision par des mesures de fluorescence. D’autre aspect, HAXPES nous permet d’étudier directement les états électroniques au moreover profond de la masse du matériau sans influence indésirable de l’oxydation de surface area.  » Ces procedures puissantes, cependant, ne sont pas exécutées à l’aide d’équipement ordinaire. Les expériences ont été menées à SPring-8, l’une des additionally importantes installations de rayonnement synchrotron à rayons X au monde, avec l’aide du Dr Akira Yasui et du Dr Kiyofumi Nitta du JASRI.

Les scientifiques ont complété ces méthodes expérimentales par des calculs théoriques pour faire la lumière sur les effets exacts des impuretés présentes dans Mg2Si. Ces calculs théoriques ont été effectués par le Dr Naomi Hirayama de l’Université de Shimane. « La combinaison de calculs théoriques et d’expérimentation est ce qui a donné des résultats uniques dans notre étude », dit-elle.

Les scientifiques ont découvert que les atomes de Sb prennent la place des atomes de Si dans le réseau cristallin Mg2Si et introduisent une légère distorsion dans les distances interatomiques. Cela pourrait favoriser un phénomène appelé diffusion des phonons, qui réduit la conductivité thermique du matériau et augmente à son tour son ZT. De additionally, parce que les atomes de Sb contiennent un électron de valence de plus que Si, ils fournissent effectivement des porteurs de demand supplémentaires qui comblent l’écart entre les bandes de valence et de conduction en d’autres termes, les impuretés Sb débloquent des états énergétiques qui facilitent le saut d’énergie requis par les électrons pour circuler. En conséquence, la conductivité électrique du Mg2Si dopé augmente, de même que son ZT.

Cette étude a considérablement approfondi notre compréhension du dopage dans les matériaux thermoélectriques, et les résultats devraient servir de guide pour l’ingénierie des matériaux innovante. Le Dr Tsutomu Iida, scientifique principal de l’étude, déclare: « Dans ma eyesight de l’avenir, la chaleur résiduelle des voitures est effectivement convertie en électricité pour alimenter une société respectueuse de l’environnement. » Heureusement, nous sommes peut-être un pas de moreover vers la réalisation de ce rêve.