Une conception cristalline d’un semi-conducteur thermoélectrique flexible à haute performance

Des chercheurs de l’Université de technologie du Queensland (QUT) ont identifié un nouveau matériau qui pourrait être utilisé comme semi-conducteur flexible dans des dispositifs portables en utilisant une technique qui se concentre sur la manipulation des espaces entre les atomes dans les cristaux.

Dans une étude publiée dans la prestigieuse revue Nature Communication, les chercheurs ont utilisé l’« ingénierie des espaces vides » pour améliorer la capacité d’un semi-conducteur AgCu(Te, Se, S), un alliage composé d’argent, de cuivre, de tellure, de sélénium et de soufre, à convertir la chaleur corporelle en électricité.

L’ingénierie des vides est l’étude et la manipulation des espaces vides, ou « vides », dans un cristal où il manque des atomes, afin d’influencer les propriétés du matériau, comme l’amélioration de ses propriétés mécaniques ou l’optimisation de sa conductivité électrique ou de ses propriétés thermiques.

L’article de Nature Communication détaille le processus par lequel les chercheurs de QUT, guidés par une conception computationnelle avancée, ont synthétisé un semi-conducteur AgCu(Te, Se, S) flexible grâce à une méthode de fusion simple et rentable. M. Li a déclaré que le contrôle précis des vides atomiques du matériau n’améliorait pas seulement sa capacité à convertir la chaleur en électricité, mais lui conférait également d’excellentes propriétés mécaniques, ce qui signifie qu’il pouvait être façonné de différentes manières pour s’adapter à des applications pratiques plus complexes.

Pour démontrer le potentiel d’application pratique du matériau, les chercheurs ont conçu plusieurs dispositifs microflexibles différents basés sur le matériau, qui peuvent être facilement attachés au bras d’une personne.

M. Li a déclaré que l’étude relevait le défi d’améliorer la capacité de conversion de la chaleur en électricité d’un semi-conducteur AgCu(Te, Se, S) tout en restant flexible et extensible, propriétés recherchées pour les dispositifs portables.

« Les matériaux thermoélectriques ont fait l’objet d’une grande attention au cours des dernières décennies en raison de leur capacité unique à convertir la chaleur en électricité sans générer de pollution ni de bruit et sans nécessiter de pièces mobiles », a déclaré M. Li.

« En tant que source de chaleur continue, le corps humain produit une certaine différence de température avec l’environnement, et lorsque nous faisons de l’exercice, cela génère plus de chaleur et une plus grande différence de température entre le corps humain et l’environnement. »

Le professeur Chen a déclaré qu’avec les progrès rapides de l’électronique flexible, la demande de dispositifs thermoélectriques flexibles augmentait considérablement et que les chercheurs du QUT étaient à la pointe de la recherche dans ce domaine.

Dans une autre étude récente publiée dans Science, le professeur Chen et des chercheurs de l’ARC Research Hub in Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality ont mis au point un film ultrafin et flexible qui pourrait alimenter les appareils portables de la prochaine génération en utilisant la chaleur du corps, éliminant ainsi le besoin de batteries.

« La clé pour faire progresser la technologie thermoélectrique flexible est d’examiner un large éventail de possibilités », a ajouté le professeur Chen.

« Les dispositifs thermoélectriques flexibles courants sont actuellement fabriqués à l’aide de matériaux thermoélectriques inorganiques en couches minces, de matériaux thermoélectriques organiques déposés sur des substrats flexibles et de composites hybrides de ces deux types de matériaux. »

« Les matériaux organiques et inorganiques ont tous deux leurs limites : les matériaux organiques sont généralement peu performants et les matériaux inorganiques offrent une meilleure conductivité de la chaleur et de l’électricité, mais ils sont généralement fragiles et peu flexibles. »

« Le type de semi-conducteur utilisé dans cette recherche est un matériau inorganique rare qui présente un potentiel frappant pour des performances thermoélectriques flexibles. Cependant, les mécanismes physiques et chimiques sous-jacents permettant d’améliorer ses performances tout en conservant une plasticité exceptionnelle sont restés largement inexplorés jusqu’à présent. »

Lire l’article complet, Strategic vacancy engineering advances record-high ductile AgCu(Te, Se, S) thermoelectrics, en ligne. DOI : 10.1038/s41467-025-58104-x

Outre le premier auteur Nanhai Li, les chercheurs de l’université QUT qui ont contribué à l’étude sont le Dr Xiao-Lei Shi, Siqi Liu, Tian-Yi Cao, Min Zhang, Wan-Yu Lyu, Wei-Di Liu, Dongchen Qi et le professeur Zhi-Gang Chen, tous membres de l’ARC Research Hub in Zero-emission Power Generation for Carbon Neutrality, de l’école de chimie et de physique de l’université QUT et du Centre for Materials Science de l’université QUT.