Dans le domaine de la fabrication verte, la technologie thermoélectrique, qui permet la conversion directe de l’énergie thermique en énergie électrique, offre un potentiel considérable pour la collecte de chaleur à basse température et le refroidissement à l’état solide, favorisant la transition des produits électroniques vers la durabilité. Cependant, la fabrication des matériaux thermoélectriques actuels fait face à de nombreux défis.

Actuellement, les matériaux polycristallins Bi₂Te₃ en bloc sont produits à l’aide de procédés de synthèse composites, incluant la fusion, le broyage à billes, le pressage à chaud et le frittage par plasma à décharge, avec l’introduction de divers défauts structuraux pour améliorer les performances. La synthèse de films minces est limitée par l’épaisseur physique et la compatibilité avec le substrat, les améliorations de performance reposant souvent sur un recuit post-dépôt.

Ces dernières années, bien que des efforts significatifs aient été faits dans le dopage par dépôt physique en phase vapeur, le contrôle de la texture, et l’utilisation de nano-adhésifs dans les procédés d’impression sérigraphique, atteindre un facteur de puissance seuil de 20 μW cm⁻¹ K⁻² à température ambiante pour les films minces de type n Bi₂Te₃ reste un défi majeur. De plus, les films thermoélectriques à haute performance obtenus par exfoliation de monocristaux, en raison de leur faible évolutivité (<5 cm²), sont difficiles à appliquer en pratique. Les méthodes traditionnelles rencontrent également des difficultés pour ajuster précisément les paramètres clés tels que le coefficient de Seebeck, la conductivité électrique, ainsi que l’évolutivité des films minces de type n Bi₂Te₃.

Cependant, une nouvelle étude publiée dans Science Advances a apporté une percée. L’équipe de recherche a proposé une méthode unique utilisant l’effet synergique de la pulvérisation magnétron (MS) et de l’évaporation thermique sous vide (VTE), deux techniques couramment utilisées dans l’industrie des semi-conducteurs, pour déposer une série de films minces VTE@t%MS - Bi₂Te₂.₈₅Se₀.₁₅ (t% = épaisseur de la couche MS / [VTE + MS] × 100 %, épaisseur totale fixée à 1 μm), tout en ajustant précisément la proportion de la couche MS.

En ajustant la fusion de couches homogènes pour modifier la proportion d’épaisseur (t%) des porteurs de charge et de la mobilité, similaire à un dopage élémentaire, cette méthode régule de manière synchrone le coefficient de Seebeck, la conductivité électrique, la conductivité thermique et la flexibilité mécanique des films. En fin de compte, dans des films extensibles de 120 cm², un facteur de puissance ultra-élevé de 30,0 μW cm⁻¹ K⁻² a été atteint à température ambiante, avec des performances de flexion améliorées grâce à l’introduction de défauts microstructuraux. L’intégration de ces films avancés dans des configurations de dispositifs plans permet d’obtenir des performances de sortie élevées, avec des capacités compétitives de production d’énergie et de refroidissement.