Contrôler le flux de chaleur dans un solide en changeant la dimensionnalité de la structure cristalline

Tout comme un interrupteur électrique régule le flux de courant électrique, les interrupteurs thermiques peuvent contrôler le flux de chaleur. Ces commutateurs servent de dispositifs de contrôle thermique et sont utiles pour les applications de gestion thermique. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans les industries pour réduire la chaleur perdue, ce qui entraîne des économies de coûts et d’énergie. Ces interrupteurs nécessitent des matériaux dont la conductivité thermique (κ) peut être modulée dans une large mesure. Cela permettrait au commutateur d’avoir un état « marche » et « arrêt » en fonction de la conductivité thermique. Cependant, de tels matériaux sont rares et difficiles à développer, et ceux qui ont été développés ne montrent que de petites variations réversibles de leur κ.

Or, dans une étude publiée dans Matériaux électroniques avancés, des chercheurs de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et de l’Institut national des sciences des matériaux, au Japon, ont fait passer les choses au niveau supérieur avec un matériau capable d’obtenir une grande variation de son κ en modifiant la dimensionnalité de sa structure cristalline. L’équipe a réalisé cet exploit remarquable en utilisant une solution solide de séléniure de plomb (PbSe) et de séléniure d’étain (SnSe), qui peut basculer entre une structure cristalline cubique tridimensionnelle (3D) et une structure cristalline en couches bidimensionnelle (2D) avec changements de température.

Dans les solides, la chaleur est transportée par deux processus différents, à savoir les vibrations du réseau cristallin et le flux de porteurs de charge électrique. Par conséquent, la conductivité thermique d’un solide dépend à la fois de la structure cristalline et de la structure électronique.

Dans leur étude, les chercheurs ont pu obtenir différentes valeurs de κ dans un alliage (Pb0,5Sn0,5)Se en modifiant la dimensionnalité de la structure cristalline en raison des différents arrangements d’atomes et de bandes interdites dans chaque structure cristalline par rapport à l’autre. « Le matériau que nous avons choisi pour notre étude est constitué de polycristaux massifs de (Pb0.5Sn0.5)Se, qui montrent une frontière de phase directe entre les structures cristallines 3D et 2D. Nous y sommes parvenus en trempant thermiquement la phase de solution solide à haute température dans la pièce température », explique le professeur Takayoshi Katase de Tokyo Tech, qui a participé à l’étude.

Les chercheurs ont pu basculer de manière réversible entre les dimensionnalités de la structure cristalline 3D et 2D des polycristaux de (Pb0,5Sn0,5)Se en chauffant et en refroidissant simplement le matériau. À l’état chauffé, le matériau a pris une structure cristalline 3D avec une structure électronique métallique, ce qui a entraîné une conductivité thermique électronique et de réseau élevée. Une fois refroidi, en revanche, il s’est transformé en une structure cristalline 2D avec une structure électronique semi-conductrice et un κ largement réduit. A une température de 373 K (100°C), le κ de la phase 3D a été observé comme étant 3,6 fois supérieur à celui de la phase 2D.

Cette nouvelle approche pour modifier κ pourrait ouvrir la voie à la conception d’autres matériaux de ce type avec des applications potentielles dans la gestion thermique. « Nous pensons que la stratégie actuelle conduira à un nouveau concept de conception de matériau de commutation thermique en modifiant la dimensionnalité de la structure cristalline à travers les limites de phase hors équilibre », déclare le professeur Katase.