Composé curieux : le séléniure d’étain pourrait détenir la clé des solutions thermoélectriques

Par : Trisha Radulovich | Publié :10 juillet 2023 | 12h37 | PARTAGER:

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 composé séléniure d’étain se réchauffe – des changements qui l’aident à conduire l’électricité mais pas la chaleur.

L'étude, financée par la National Science Foundation et le ministère de l'Énergie, 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 Nature Communications.

"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 suscite beaucoup d’intérêt en raison de ses propriétés thermoélectriques particulières à haute température. L’optimisation de ces caractéristiques pourrait conduire à des options viables pour la production d’électricité 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 pouvait créer un fort courant électrique à partir d’un gradient de température. La question était pourquoi et comment.

Les chercheurs ont découvert qu’à mesure que le composé se réchauffait, 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 du 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 en réalité une transition de phase ordre-désordre qui se produisait", a déclaré Siegrist. « L’atome d’étain vacillait, 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 forte conductivité électrique 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 à ces travaux avec des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory, ou ORNL, et de l'Université du Tennessee à 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 projette des protons sur une cible pour générer des explosions 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 détermine certaines propriétés que les ingénieurs pourraient vouloir optimiser.

"Il s'agit d'une recherche fondamentale et nous nous intéressons au mécanisme et à l'influence du matériau pour lui permettre de 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."

Aux côtés de chercheurs de l'ORNL et de l'Université du Tennessee, Simon AJ Kimber de l'Université de Bourgogne-Franche-Comté a contribué à cet article.