Les chercheurs du NIMS ont réalisé une avancée significative dans le domaine de la thermoélectricité en démontrant qu’une simple structure composée de couches de matériaux thermoélectriques et magnétiques peut générer un effet thermoélectrique transversal bien supérieur à celui des matériaux magnétiques existants capables de présenter l’effet Nernst anormal.
Des technologies thermoélectriques basées sur l’effet Seebeck
Ces dernières années, les technologies thermoélectriques basées sur l’effet Seebeck, capables de convertir la chaleur résiduelle et d’autres sources de chaleur en électricité, ont fait l’objet de recherches approfondies. L’effet Seebeck génère normalement un courant électrique qui circule parallèlement au flux de chaleur associé (c’est-à-dire un effet thermoélectrique longitudinal). Cette limitation physique oblige les dispositifs basés sur l’effet Seebeck à avoir des structures complexes, ce qui réduit leur durée de vie et augmente les coûts de fabrication.
En revanche, en exploitant les effets thermoélectriques transversaux tels que l’effet Nernst anormal, les dispositifs thermoélectriques peuvent avoir des structures beaucoup plus simples que les dispositifs basés sur l’effet Seebeck, ce qui les rend potentiellement utiles pour la récupération d’énergie et la détection de flux de chaleur. Cependant, les performances de conversion thermoélectrique à température ambiante résultant de l’effet Nernst anormal sont actuellement très faibles – moins de 10 μV d’électricité peuvent être générés par une différence de température de 1 K à température ambiante – ce qui constitue un inconvénient majeur.
Un composite thermoélectrique à structure simple et performant
L’équipe de recherche a fabriqué un composite thermoélectrique avec une structure très simple – une paire de couches de matériaux thermoélectriques et magnétiques empilées étroitement l’une sur l’autre de manière à ce que l’électricité puisse circuler entre elles. Ce dispositif a été capable de présenter un effet thermoélectrique transversal significativement plus important que celui produit uniquement par les matériaux magnétiques existants capables de présenter l’effet Nernst anormal, dans la toute première démonstration expérimentale de ce type.
Pour obtenir ce large effet thermoélectrique transversal, l’équipe a d’abord construit un modèle théorique et estimé le rapport d’épaisseur optimal entre le substrat thermoélectrique en silicium (Si) capable de présenter un grand effet Seebeck et le film mince d’alliage fer-gallium (Fe-Ga) magnétique. L’équipe a ensuite empilé le film mince de Fe-Ga sur un substrat de Si avec le rapport d’épaisseur optimal. Ce composite a produit une tension de sortie maximale de 15,2 μV/K, soit environ six fois plus que celle générée par l’alliage Fe-Ga seul (2,4 μV/K) basé sur l’effet Nernst anormal.
Des applications pratiques prometteuses
L’équipe de recherche a démontré qu’une structure en couches simple composée d’une paire de couches de matériaux thermoélectriques et magnétiques en contact direct était capable de produire un effet thermoélectrique transversal significativement plus important que les matériaux magnétiques capables de présenter l’effet Nernst anormal lorsqu’ils sont utilisés seuls. Ce composite devrait être applicable dans une large gamme de dispositifs thermoélectriques pratiques.
À l’avenir, les recherches seront étendues pour inclure les matériaux en vrac de grande taille nécessaires aux applications pratiques, dans le but de contribuer à la conservation de l’énergie de la société grâce aux applications des dispositifs de génération d’énergie thermoélectrique.
Article : « Direct-Contact Seebeck-Driven Transverse Magneto-Thermoelectric Generation in Magnetic/Thermoelectric Bilayers » – DOI: 10.1002/advs.202308543
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