Un nouveau matériau thermoelectrique pour convertir la chaleur perdue en électricité

Les dispositifs de conversion thermoelectrique offrent une voie prometteuse pour la conversion durable de la chaleur en énergie. Ils sont particulièrement attractifs pour la récupération d’énergie à partir de chaleur perdue, comme celle produite par les moteurs conventionnels à base de combustibles fossiles, améliorant ainsi leur efficacité énergétique globale. Environ 20 à 50 % de l’énergie d’entrée est perdue sous forme de chaleur résiduelle dans l’industrie. Cela pourrait être utilisé comme source par les dispositifs de conversion thermoelectrique. Ces dispositifs ont également le potentiel de permettre une génération d’énergie portable, par exemple, pour alimenter de petits capteurs dans des endroits éloignés.

Actuellement, la plupart des dispositifs thermoelectriques reposent sur l’effet thermoelectrique longitudinal, dans lequel l’électricité est générée dans la même direction que le flux de chaleur. Ces dispositifs sont généralement constitués de couches alternées de semi-conducteurs de type p et n connectés en série. Les semi-conducteurs de type p et n génèrent de l’électricité dans des directions opposées. Lorsqu’une différence de température est appliquée au dispositif, les porteurs de charge dans ces matériaux se déplacent du côté chaud vers le côté froid, générant une tension. Cependant, l’empilement de nombreuses couches augmente la résistance de contact électrique à leurs interfaces, ce qui entraîne des pertes d’énergie et limite l’efficacité globale.

Les dispositifs thermoelectriques transversaux (TTE) qui génèrent une tension perpendiculairement à la direction du flux de chaleur constituent une alternative prometteuse. Important, les dispositifs TTE peuvent être fabriqués à partir d’un seul matériau, éliminant ainsi le besoin de multiples interfaces, réduisant significativement la résistance de contact et améliorant l’efficacité globale. Cela simplifie également la fabrication. Cependant, les matériaux qui présentent un fort effet TTE sont rares.

Dans une étude récente, une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Ryuji Okazaki du département de physique et d’astronomie de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a démontré un comportement TTE dans le semi-métal mixte bidimensionnel du disiliciure de molybdène (MoSi₂). L’équipe comprenait également Mme Hikari Manako, M. Shoya Ohsumi et le professeur assistant Shogo Yoshida de TUS, ainsi que le professeur assistant Yoshiki J. Sato de l’Université de Saitama, au Japon. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Communications Materials le 29 décembre 2025.

« Nous voulions explorer de nouveaux matériaux thermoelectriques transversaux. Récemment, la présence d’une polarité de conduction dépendante de l’axe (ADCP) dans un matériau a été reconnue comme un indicateur de la capacité de génération TTE, » explique le Dr. Okazaki. « Les conducteurs mixtes comme le MoSi₂ sont des candidats ADCP potentiels, mais leur capacité de génération de thermopuissance n’a pas été approfondie. »

Les chercheurs ont mesuré les propriétés de transport du MoSi₂ en utilisant à la fois des expériences et des calculs de premiers principes. Plus précisément, ils ont examiné la dépendance en température de la résistivité et de la conductivité thermique, ainsi que la thermopuissance longitudinale, le long des deux axes cristallographiques du matériau. Les mesures de thermopuissance ont démontré une ADCP claire, ce qui a été confirmé par des mesures de résistivité de Hall.

Pour sonder l’origine de l’ADCP, les chercheurs ont examiné la structure électronique du MoSi₂ à l’aide de calculs de premiers principes. Ils ont découvert que l’ADCP provient d’une structure de surface de Fermi mixte-dimensionnelle, composée de deux surfaces de Fermi de polarités opposées. La surface de Fermi est essentiellement une frontière qui sépare les états électroniques occupés et vides d’un matériau solide. La forme de cette surface, donc, détermine fortement les propriétés électroniques et de transport du matériau.

Ensuite, les chercheurs ont directement mesuré la thermopuissance transversale du MoSi₂ en appliquant une différence de température à un angle de 45 degrés par rapport à l’un de ses axes cristallographiques. Les résultats ont montré un signal de thermopuissance transverse clair et substantiel. Notamment, l’amplitude de ce signal était plus grande que celle observée pour le disiliciure de tungstène (WSi₂), un autre matériau ADCP examiné précédemment par l’équipe, principalement en raison des différences dans la distribution de ses électrons. De plus, la thermopuissance transversale du MoSi₂ était comparable à celle des matériaux de Nernst anormaux, qui sont des matériaux magnétiques bien connus pour leurs forts effets TTE.

« Ces résultats établissent le MoSi₂ comme un matériau idéal pour les applications TTE, en particulier dans la gamme des basses températures, élargissant ainsi la liste des candidats viables, » remarque le Dr. Okazaki. « De plus, le MoSi₂ et le WSi₂ montrent que les surfaces de Fermi mixtes-dimensionnelles sont importantes pour l’émergence de l’ADCP et donc de la thermopuissance transversale. »

En utilisant une fine couche de MoSi₂ comme matériau idéal pour les applications TTE, une grande surface de source de chaleur pourrait être couverte pour produire une tension. Dans l’ensemble, cette étude représente une nouvelle direction pour trouver des matériaux TTE, ouvrant la voie à des systèmes efficaces de récupération de chaleur perdue pour un avenir plus vert.

Article : Axis-Dependent Conduction Polarity and Transverse Thermoelectric Conversion in the Mixed-dimensional Semimetal MoSi2 – Journal : Communications Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Tokyo U.