L'Université des Sciences de Tokyo (Science Tokyo) développe un cristal en couches à faible conductivité thermique et haute performance thermoélectrique

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche de l'Université des Sciences de Tokyo (Science Tokyo) a développé un nouveau cristal en couches, le TlFe_1.6Se₂, en intégrant des couches atomiquement minces de FeSe dans un cristal massif. Ce matériau combine un facteur de puissance thermoélectrique élevé et une conductivité thermique extrêmement faible, offrant une nouvelle approche pour la conception de matériaux thermoélectriques.

La technologie thermoélectrique exploite la différence de température entre les deux extrémités d'un matériau pour produire de l'électricité, et est applicable à la récupération de chaleur perdue dans les usines, les automobiles et les centrales électriques. Pour obtenir des performances élevées, un matériau doit allier une conversion thermoélectrique efficace et une faible conductivité thermique nécessaire au maintien de la différence de température, deux propriétés généralement difficiles à concilier. Les supraconducteurs sont rarement utilisés dans le domaine thermoélectrique en raison de leurs faibles performances, mais les films atomiquement minces de séléniure de fer (FeSe) présentent un facteur de puissance thermoélectrique exceptionnellement élevé. Cependant, ces performances ne sont obtenues que dans des films ultraminces, et la conductivité thermique élevée du FeSe massif limite son application pratique.

Pour surmonter ces limitations, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Takayoshi Katase du Laboratoire des Matériaux et des Structures a conçu un cristal en couches contenant du thallium (Tl), le TlFe_1.6Se₂. Dans ce cristal, des couches atomiquement minces de FeSe sont périodiquement intégrées dans un cristal massif avec des lacunes de fer ordonnées, visant à combiner le facteur de puissance thermoélectrique élevé des couches de FeSe et la faible conductivité thermique introduite par les lacunes de fer. L'étude a été publiée en ligne le 30 avril 2026 et dans le Journal of Materials Chemistry A, volume 14, numéro 37, le 23 juin 2026.

Les recherches montrent que le TlFe_1.6Se₂ présente deux avantages majeurs. Premièrement, le facteur de puissance thermoélectrique produit par les couches atomiques de FeSe intégrées est bien supérieur à celui du FeSe massif traditionnel, principalement en raison d'une augmentation significative du coefficient Seebeck, indiquant que les propriétés électroniques du FeSe atomiquement mince peuvent être intégrées dans un cristal massif. Deuxièmement, le matériau présente une conductivité thermique extrêmement faible, car les lacunes de fer naturellement présentes dans ses couches de FeSe déforment les liaisons atomiques et diffusent les phonons porteurs de chaleur. Le professeur Katase ajoute que l'incorporation d'atomes lourds de Tl et la structure en couches complexe réduisent davantage la vitesse des phonons et renforcent la diffusion.

À environ 180 °C, le matériau subit une transition réversible d'une phase ordonnée de lacunes de fer à une phase désordonnée. Cette transition renforce la diffusion des phonons, réduisant la conductivité thermique à environ 0,2 W m^-1 K^-1, comparable à celle des matériaux thermoélectriques les plus avancés. Dans la phase ordonnée de lacunes de fer, le coefficient Seebeck dépasse 100 μV K^-1, et le facteur de puissance thermoélectrique est environ cinq fois supérieur à celui de la phase désordonnée, ce que l'étude attribue aux changements de structure électronique liés à l'arrangement ordonné des lacunes.

Les chercheurs estiment que cette méthode, combinant le facteur de puissance thermoélectrique élevé des matériaux atomiquement minces avec la conductivité thermique extrêmement faible introduite par les lacunes de fer ordonnées, ouvre une nouvelle voie pour la conception de matériaux thermoélectriques. Le professeur Katase indique que ce concept de conception valide l'efficacité de l'intégration de fonctions de matériaux de faible dimension dans des cristaux massifs, et pourrait surmonter le compromis traditionnel entre les propriétés de transport électrique et thermique. Cette approche peut également être étendue aux composés de FeSe contenant du potassium, du rubidium ou du césium, qui possèdent également des couches de FeSe et des concentrations de lacunes de fer ajustables, constituant une plateforme prometteuse pour l'optimisation des performances thermoélectriques.