Des chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering et du National High Magnetic Field Laboratory ont découvert que des changements structurels au niveau atomique se produisent lorsque le séléniure d’étain composé se réchauffe, des changements qui l’aident à conduire l’électricité mais pas la chaleur.
L’étude fournit des informations qui pourraient conduire à de nouvelles technologies pour des applications telles que la réfrigération ou la récupération de la chaleur résiduelle des voitures ou des centrales nucléaires. La recherche a été publiée par Communication Nature.
« Le séléniure d’étain est un composé curieux », a déclaré Theo Siegrist, professeur de génie chimique et biomédical au FAMU-FSU College of Engineering. « Il a suscité beaucoup d’intérêt pour ses propriétés thermoélectriques spéciales à haute température. L’optimisation de ces caractéristiques peut conduire à des options viables pour la production d’énergie durable et d’autres utilisations à l’avenir. »
Les scientifiques savaient déjà que le séléniure d’étain avait un coefficient thermoélectrique élevé à des températures élevées, ce qui signifie qu’il peut créer un fort courant électrique à partir d’un gradient de température. La question était pourquoi et comment.
Les chercheurs ont découvert qu’au fur et à mesure que le composé chauffait, les liaisons entre l’étain et le sélénium restaient pratiquement inchangées, toujours reliées par trois liaisons courtes et plusieurs liaisons longues. Mais les atomes d’étain dans le composé ont commencé à se déplacer, passant d’une structure de réseau entièrement ordonnée à une structure partiellement désordonnée.
« L’idée initiale de ce changement était que les atomes étaient déplacés, mais nous avons constaté que c’était une transition de phase ordre-désordre qui était en fait ce qui se passait », a déclaré Siegrist. « L’atome d’étain s’agitait, pour ainsi dire. C’est ce qui a permis au séléniure d’étain de disperser les ondes d’énergie qui conduisent la chaleur. »
Un bon matériau thermoélectrique nécessite une conductivité électrique forte mais une conductivité thermique aussi faible que possible. Dans le séléniure d’étain, ceci est obtenu par un désordre partiel dynamique des atomes d’étain à des températures élevées qui entraîne une réduction de la conductivité thermique.
Siegrist a collaboré au travail avec des chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge, ou ORNL, et de l’Université du Tennessee, Knoxville. Ils ont utilisé un type d’accélérateur de particules à l’ORNL appelé source de neutrons de spallation pour tester le matériau. L’accélérateur tire des protons sur une cible pour générer des rafales de neutrons, permettant aux scientifiques d’analyser la structure cristalline de cette cible.
En examinant ce qui se passe à l’échelle atomique, les chercheurs peuvent comprendre ce qui motive certaines propriétés que les ingénieurs peuvent vouloir optimiser.
« Il s’agit de recherche fondamentale, et nous nous intéressons au mécanisme et à l’influence du matériau pour lui faire faire ce que nous voulons dans un dispositif thermoélectrique », a déclaré Siegrist. « Toutes ces idées peuvent améliorer les dispositifs de conversion d’énergie en les rendant plus efficaces. »
Plus d’information:
Bo Jiang et al, Le cas curieux de la transition de phase structurelle dans les connaissances SnSe de la diffusion totale des neutrons, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-38454-0