En collaboration avec l’un des plus éminents chercheurs mondiaux sur les matériaux thermoélectriques, une équipe de chercheurs du Département de physique et d’astronomie de Clemson et du Clemson Nanomaterials Institute (CNI) a développé une nouvelle méthode infaillible pour évaluer les matériaux thermoélectriques.
Le professeur adjoint de recherche du Département de physique et d’astronomie Sriparna Bhattacharya, l’ingénieur Herbert Behlow et le directeur fondateur du CNI Apparao Rao ont collaboré avec le chercheur de renommée mondiale HJ Goldsmid, professeur émérite à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) à Sydney, en Australie, pour créer un méthode unique pour évaluer l’efficacité des matériaux thermoélectriques.
Goldsmid est considéré par beaucoup comme le « père de la thermoélectrique » pour son travail de pionnier dans les matériaux thermoélectriques. Bhattacharya a d’abord contacté Goldsmid sur LinkedIn, lui disant qu’elle avait confirmé l’une de ses prédictions théoriques au cours de ses études supérieures à l’Université Clemson.
Plus tard, Bhattacharya a partagé un article qu’elle a écrit avec Rao après avoir rejoint son groupe de recherche. Goldsmid lui a mentionné qu’il avait une nouvelle méthode en tête pour étudier la thermoélectricité et a partagé sa théorie d’une page avec elle. Il avait 89 ans à l’époque et a commencé avec enthousiasme à collaborer avec les chercheurs du CNI parce qu’il considérait Bhattacharya comme faisant partie de sa propre « famille » de recherche.
Les matériaux thermoélectriques utilisent un gradient de température (DT) pour générer de l’électricité. Ils peuvent être utilisés pour la production d’électricité en convertissant la chaleur en électricité (méthode Seebeck) ou la réfrigération en convertissant l’électricité en refroidissement (méthode Peltier). Les matériaux thermoélectriques sont utilisés dans des applications allant des missions spatiales de la NASA aux sièges chauffants et refroidisseurs dans les véhicules.
L’efficacité des matériaux thermoélectriques est mesurée par un facteur de mérite, ou zT, qui tient compte de la température, de la conductivité électrique et de la conductivité thermique du matériau. La méthode traditionnelle de détermination de zT nécessite deux mesures utilisant différents ensembles d’équipements, ce qui amène parfois les chercheurs à signaler des résultats incorrects.
En d’autres termes, les chercheurs mesurent parfois par erreur la conductivité électrique (flux de charge) et la conductivité thermique (flux de chaleur) dans différentes directions de leur échantillon lorsqu’il passe d’un instrument à l’autre.
Le refroidissement Peltier n’avait pas été utilisé auparavant pour évaluer zT en raison d’un DT élevé ou de la différence de température maximale réalisable entre la jonction froide et la température ambiante. « Nous avons utilisé des thermocouples contenant un métal et une jonction semi-conductrice pour réduire le DT à une plage beaucoup plus étroite afin que le zT dépendant de la température puisse être déterminé avec une résolution plus élevée », a déclaré Behlow.
« L’idée d’utiliser un métal et un semi-conducteur pour réduire DT était cachée à la vue de tous jusqu’à ce que le professeur Goldsmid reconnaisse que c’était le cas et propose cette nouvelle méthode de mesure de zT », a ajouté Behlow.
« La configuration expérimentale que nous avons développée au CNI (avec l’aide du Département de physique et d’astronomie Instrument Shop) pour tester la théorie du professeur Goldsmid garantit que le flux de charge et le flux de chaleur sont mesurés dans la même direction dans l’échantillon », a déclaré Rao. « Par conséquent, de par sa conception, notre méthode fournit un zT précis. »
Isabel Rancu, une élève du secondaire à la South Carolina Governor’s School for Science and Mathematics, a également contribué à l’étude. Rancu, qui a travaillé avec l’équipe dans le cadre du programme d’été pour stagiaires de recherche de Clemson, a vérifié de manière indépendante les calculs du modèle rapportés par Behlow.
L’échantillon de tellurure de bismuth utilisé dans l’étude a été synthétisé par Pooja Puneet, maître de conférences au Département de physique et d’astronomie, dans le cadre de sa recherche doctorale.
L’étude UNSW-Clemson intitulée « Thermoelectric figure-of-merit from Peltier cooling » a été publiée en novembre dans le Journal de physique appliquée. Il a été sélectionné comme « choix de l’éditeur », ce que l’équipe considère comme un hommage à Goldsmid.
Plus d’information:
S. Bhattacharya et al, Facteur de mérite thermoélectrique du refroidissement Peltier, Journal de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0116327