Le refroidissement par semi-conducteurs est une technique de refroidissement alternative prometteuse qui ne repose pas sur l’utilisation de gaz ou de liquides, comme les systèmes de réfrigération conventionnels, mais utilise plutôt les propriétés des matériaux solides pour réfrigérer. Cette approche alternative de refroidissement pourrait être très économe en énergie et aider à réfrigérer des objets sans rejeter de gaz à effet de serre dans l’air.
Malgré leur potentiel, les effets caloriques conventionnels se sont révélés difficiles à mettre en œuvre efficacement dans les appareils de réfrigération du monde réel. En effet, ils ne sont considérables que dans une plage étroite de températures et ont des exigences spécifiques qui limitent les possibilités des systèmes de refroidissement qui en résultent.
Des chercheurs de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona et de l’Universitat Politècnica de Catalunya ont récemment proposé une solution possible pour surmonter les limites des systèmes de refroidissement à semi-conducteurs existants. Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquedémontre théoriquement que certaines pérovskites ferroélectriques pourraient présenter des effets photocaloriques géants (PC), qui persistent sur une plage de températures beaucoup plus large que les effets caloriques conventionnels.
« Notre inspiration est venue de deux sources différentes », a déclaré Claudio Cazorla, co-auteur de l’article, à Phys.org. « D’une part, nous étions conscients de la possibilité d’induire des transitions de phase dans les ferroélectriques en les mettant en lumière et avions déjà exploré cette idée en proposant de nouveaux mécanismes d’interrupteur thermique. D’autre part, nous nous intéressions au refroidissement et au refroidissement des semi-conducteurs. matériaux caloriques, prometteurs pour remplacer les technologies de réfrigération actuelles basées sur des cycles de compression/décompression de gaz nocifs pour l’environnement.
Les matériaux caloriques généralement utilisés pour réaliser un refroidissement à l’état solide subissent des transitions de phase sous des champs externes. Ces transitions modifient l’entropie de ces matériaux et peuvent être exploitées pour induire la réfrigération et le pompage de chaleur.
S’appuyant sur leur intérêt pour les matériaux ferroélectriques et caloriques, Cazorla et ses collègues ont entrepris d’explorer l’existence possible d’effets PC dans les matériaux ferroélectriques, qui permettraient essentiellement le refroidissement des solides par irradiation lumineuse. L’objectif principal de leur récente étude était de caractériser théoriquement ces effets PC et de déterminer s’ils pouvaient présenter un intérêt pratique pour le développement de systèmes de réfrigération.
« Bien que l’idée d’induire des transitions de phase dans les ferroélectriques avec la lumière existe depuis un certain temps, je l’ai rencontrée par hasard lors d’un atelier en 2021 », a déclaré Riccardo Rurali, co-auteur de l’article, à Phys.org.
« Cela a immédiatement attiré mon attention, car je pensais qu’il pourrait être utilisé pour concevoir un interrupteur thermique (mon principal « activité de recherche »), où, grâce à l’absorption de la lumière, on pourrait faire la navette entre un état de conductivité thermique élevée et un état faible. Heureusement, Claudio Cazorla s’est rendu compte que la même transition de phase induite par la lumière s’accompagnait d’un énorme changement d’entropie et qu’elle pouvait donc être utilisée pour concevoir un cycle PC extrêmement efficace, qui surpasse largement le commutateur thermique que nous avions proposé précédemment.
Les effets PC pourraient présenter divers avantages par rapport à d’autres effets caloriques, tels que les effets magnétocaloriques, électrocaloriques et mécanocaloriques. Le plus remarquable est que les effets PC sont importants et peuvent être exploités sur une plage de températures beaucoup plus large.
En fait, il a été théoriquement démontré que les effets décrits dans l’article de l’équipe restent importants sur de vastes intervalles de température, de l’ordre de 100K. En revanche, les effets caloriques conventionnels ne sont actifs que sur des intervalles de température étroits de l’ordre de 10K.
« La condition pour que l’effet PC induit par la lumière fonctionne est que le système passe d’un état ferroélectrique à un état paraélectrique, c’est-à-dire qu’il perd sa polarisation électrique spontanée lors de l’absorption de la lumière », a expliqué Cazorla. « Par conséquent, l’intervalle de température dans lequel les effets du PC peuvent être observés correspond à la plage de température dans laquelle le matériau est ferroélectrique, qui peut atteindre plusieurs centaines de degrés Kelvin. »
Dans leur article, Cazorla, Rurali et leurs collègues prédisent l’existence d’effets PC dans certains matériaux ferroélectriques. Notamment, on suppose que ces effets se produisent dans quelques matériaux polaires seulement, y compris les archétypes ferroélectriques BaTiO3 et KNbO3.
« Le fait que le champ déclencheur [for] Les effets PC sont que l’absorption de la lumière implique qu’il n’est pas nécessaire de déposer des électrodes sur les surfaces du matériau ferroélectrique », a déclaré Cazorla. « Cela peut grandement simplifier la conception et la fabrication de la configuration pratique correspondante. De plus, les effets PC sont très bien adaptés à la miniaturisation puisque la source de lumière nécessaire peut être obtenue avec des lasers. »
Les effets PC théoriquement démontrés dans cet article récent pourraient bientôt être examinés plus en détail et étudiés expérimentalement. Cazorla, Rurali et leurs collègues suggèrent que ces effets seraient particulièrement adaptés aux applications de refroidissement à l’échelle microscopique, telles que la réfrigération des unités centrales de traitement (CPU) et d’autres composants de circuits.
De plus, comme on suppose que ces effets persistent sur de vastes intervalles de température, allant de la température ambiante au zéro absolu, ils pourraient également être exploités pour obtenir un refroidissement cryogénique (c’est-à-dire jusqu’à des températures ultra basses). Le refroidissement cryogénique pourrait à son tour s’avérer très utile pour la réalisation de technologies quantiques.
« À l’heure actuelle, nous explorons des familles de matériaux autres que les ferroélectriques qui peuvent également présenter des transitions de phase induites par la lumière avec un potentiel pour les applications de refroidissement à l’état solide », a déclaré Cazorla. « En outre, nous envisageons le rôle de la dimensionnalité pour apporter des effets PC. dans des applications réelles (par exemple, matériaux bidimensionnels et films minces). »
Cazorla, Rurali et leurs collègues mènent actuellement d’autres études visant à évaluer davantage le potentiel des effets PC qu’ils ont théorisés, tout en envisageant des stratégies potentielles pour les exploiter dans des applications réelles. Leur étude pourrait inciter d’autres équipes à explorer également ces effets et leur potentiel pour améliorer le refroidissement des semi-conducteurs.
« Nous avons réalisé que la charge photoinduite peut supprimer d’autres états de charge ordonnés qui se couplent à la structure du réseau », a ajouté Rurali. « Actuellement, nous étudions des matériaux 2D comportant des ondes de densité de charge (CDW). Ils sont particulièrement prometteurs car, en raison de leur dimensionnalité, ils semblent mieux adaptés pour absorber efficacement la lumière. »
Plus d’informations :
Riccardo Rurali et al, Effets photocaloriques géants sur une vaste plage de températures dans les pérovskites ferroélectriques, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.116401. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2404.05562
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