Une équipe de recherche a fait un pas significatif en démontrant une amélioration considérable de la conversion thermoélectrique transversale grâce à l’application de champs magnétiques. Une nouvelle génération de matériaux et de dispositifs pour la gestion thermique et la récupération d’énergie pourrait voir le jour.
Une équipe de recherche du NIMS a démontré que la conversion thermoélectrique transversale (c’est-à-dire la conversion d’énergie entre les courants de charge et de chaleur qui s’écoulent orthogonalement l’un à l’autre) peut être considérablement améliorée en appliquant des champs magnétiques ou en utilisant le magnétisme.
De plus, l’équipe a développé un aimant thermoélectrique permanent – un nouveau matériau fonctionnel capable de refroidissement thermoélectrique et de génération d’énergie – en combinant des aimants permanents et des matériaux thermoélectriques dans une structure hybride. Ces résultats pourraient guider la réalisation de la gestion thermique et de la récolte d’énergie à l’aide d’aimants communs.
Les effets Seebeck et Peltier
Les effets Seebeck et Peltier ont été largement étudiés pour leur application aux technologies de conversion thermoélectrique (TEC). Ces effets sont classés comme des phénomènes de TEC longitudinaux – conversion entre les courants de charge et de chaleur qui s’écoulent en parallèle l’un à l’autre.
Bien que les dispositifs TEC longitudinaux aient une efficacité de conversion d’énergie plus élevée que leurs homologues transversaux, leurs structures sont plus complexes. En revanche, les dispositifs TEC transversaux, plus simples en structure, peuvent avoir de faibles pertes d’énergie, un faible coût de fabrication et une excellente durabilité.
Pour atteindre l’utilisation pratique des dispositifs TEC transversaux, cependant, leur efficacité de conversion doit être améliorée. La TEC transversale est entraînée par différents types de phénomènes physiques : les phénomènes induits magnétiquement (c’est-à-dire l’effet magnéto-thermoélectrique) et les phénomènes attribués à des structures cristallines ou électroniques anisotropes. Ces phénomènes n’avaient auparavant été étudiés qu’indépendamment les uns des autres.
Un matériau hybride pour une performance de refroidissement
Cette équipe de recherche du NIMS a récemment fabriqué un matériau multicouche incliné artificiellement – un matériau hybride capable d’exhiber simultanément trois différents types de phénomènes TEC, y compris les effets magnéto-thermoélectriques. Elle a ensuite démontré la performance de refroidissement améliorée de ce matériau grâce à la TEC transversale.
Le matériau hybride a été créé en empilant et en collant alternativement des dalles d’alliage Bi88Sb12, qui présentent de grands effets magnéto-thermoélectriques, et des dalles d’alliage Bi0.2Sb1.8Te3, qui présentent un grand effet Peltier. Cet empilement a ensuite été coupé en diagonale pour former le matériau multicouche incliné artificiellement.
Lorsque des champs magnétiques ont été appliqués à ce matériau, son efficacité TEC transversale a augmenté, ce qui a été attribué aux effets combinés des trois types de phénomènes TEC. L’équipe a ensuite remplacé les dalles d’alliage Bi0.2Sb1.8Te3 par des aimants permanents et a constaté que la performance TEC transversale peut être améliorée par les effets magnéto-thermoélectriques même sans champs magnétiques externes.
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En synthèse
Cette recherche a démontré des moyens par lesquels les matériaux magnétiques peuvent être conçus pour augmenter leurs capacités de refroidissement thermoélectrique et de génération d’énergie. Dans les recherches futures, l’équipe développera des matériaux/dispositifs avec de meilleures capacités de gestion thermique et de récolte d’énergie pour une société durable et des systèmes IoT améliorés.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la conversion thermoélectrique transversale ?
La conversion thermoélectrique transversale est la conversion d’énergie entre les courants de charge et de chaleur qui s’écoulent orthogonalement l’un à l’autre.
Qu’est-ce que l’effet Seebeck et l’effet Peltier ?
L’effet Seebeck et l’effet Peltier sont des phénomènes de conversion thermoélectrique longitudinale, où la conversion se produit entre les courants de charge et de chaleur qui s’écoulent en parallèle l’un à l’autre.
Qu’est-ce qu’un matériau hybride dans ce contexte ?
Un matériau hybride est un matériau qui combine plusieurs types de matériaux pour obtenir des propriétés spécifiques. Dans ce cas, il s’agit d’un matériau qui combine des aimants permanents et des matériaux thermoélectriques.
Quels sont les avantages de la conversion thermoélectrique transversale ?
Les dispositifs de conversion thermoélectrique transversale ont une structure plus simple, de faibles pertes d’énergie, un faible coût de fabrication et une excellente durabilité.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Les résultats de cette recherche pourraient être utilisés pour développer de nouveaux matériaux et dispositifs pour la gestion thermique et la récolte d’énergie, notamment dans les systèmes IoT.
Références
Projet réalisé par Ken-ichi Uchida (Distinguished Group Leader, Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), NIMS), Takamasa Hirai (Researcher, CMSM, NIMS), Fuyuki Ando (Special Researcher, CMSM, NIMS), et Hossein Sepehri-Amin (Group Leader, CMSM, NIMS).
Article : « Hybrid Transverse Magneto-Thermoelectric Cooling in Artificially Tilted Multilayers » – DOI: 10.1002/aenm.202302375
