(Correspondant/LIU Mingzhu) Alors que la nouvelle année commence et que tout se renouvelle, l'Institut international d'innovation de l'Université Beihang annonce une avancée majeure en matière de recherche scientifique ! L’équipe du professeur ZHAO Lidong, affiliée au Centre d’innovation en science et technologie bio-inspirées, a réalisé une percée significative dans le domaine des matériaux thermoélectriques. Ses travaux ont été publiés dans la prestigieuse revue internationale Science, marquant ainsi la première publication de l’Institut international d’innovation de Beihang dans cette revue de référence.
Le 10 janvier, la revue internationale de renom Science a rapporté les derniers progrès réalisés par l'équipe de recherche du professeur ZHAO Lidong du Centre d’innovation de la science et de la technologie bio-inspirées de l'Institut international d'innovation de l'Université Beihang dans le domaine de la recherche sur les matériaux et dispositifs thermoélectriques à grande capacité de stockage, à faible coût et à large bande interdite : Quadruple-Band Synglisis Enables High Thermoelectric Efficiency in Earth-Abundant Tin Sulfide Crystals. Ce travail a découvert et régulé l'effet synergique de quatre bandes de valence (Quadruple-Band Synglisis) dans l'espace d'énergie et d'impulsion dans les cristaux de sulfure d'étain (SnS), atteignant une différence de température de refroidissement d'environ 48 K et une efficacité de production d'énergie d'environ 6,5 % dans les cristaux de SnS de type P. Traditionnellement, les matériaux idéaux pour le refroidissement thermoélectrique sont ceux dont la bande interdite se situe dans la plage de Eg ≈ 6-10 kBT (où kB est la constante de Boltzmann). (Goldsmid, et al. Thermoelectric Refrigeration, Springer, 1964.). Ce travail montre que le SnS avec une bande interdite Eg aussi large que 46 kBT peut également être utilisé comme matériau de refroidissement thermoélectrique [Science 387 (2025) 202-208.].
Lien vers l'article original :
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1133
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1133
L'Institut international d'innovation de l'Université Beihang est l’établissement principal affilié à cette recherche. LIU Shan, doctorante de la promotion 2022 de Beihang, est première auteure de l’article. Les co-auteurs correspondants incluent le post-doctorant QIN Bingchao, ainsi que les professeurs CHANG Cheng et ZHAO Lidong de Beihang.
La technologie de conversion thermoélectrique permet à la fois une production d'énergie par différence de température basée sur l'effet Seebeck et un refroidissement thermoélectrique basé sur l'effet Peltier, réalisant ainsi une conversion mutuelle directe entre l'énergie thermique et l'énergie électrique. La technologie de conversion thermoélectrique est donc à la fois une nouvelle technologie énergétique importante et une technologie de refroidissement pratique et rapide. Dans le contexte de la nécessité urgente de la stratégie énergétique concernant l'atteinte du pic des émissions de CO2 et la neutralité carbone, le développement de technologies vertes combinant les fonctions de production d’électricité et de refroidissement devient de plus en plus important dans le domaine de l’énergie. La technologie thermoélectrique offre les avantages tels qu'une taille compacte, un contrôle précis de la température, une fiabilité élevée et une réponse rapide, ce qui la rend largement applicable dans des domaines clés comme l'exploration spatiale, les communications 5G et le refroidissement des micro-électroniques.
Figure 1. Effet thermoélectrique : (A) Schéma de principe de la production d’électricité par différence de température basée sur l'effet Seebeck ; (B) Schéma de principe du refroidissement thermoélectrique basé sur l'effet Peltier
L'efficacité de la conversion thermoélectrique, y compris la production d'énergie et le refroidissement, est principalement déterminée par le facteur de mérite thermoélectrique sans dimension du matériau (ZT). À partir de la définition de la valeur ZT (ZT = (S2σ/κ) T), à une température T donnée, les matériaux thermoélectriques efficaces devraient avoir : un coefficient Seebeck S élevé (pour générer une tension de différence de température significative), une conductivité électrique σ élevée (pour réduire les pertes de chaleur par effet Joule) et une faible conductivité thermique κ (pour maintenir une différence de température significative). Cependant, la relation de couplage complexe entre ces paramètres thermoélectriques limite l’amélioration de la valeur ZT. La clé pour augmenter l'efficacité de la conversion thermoélectrique réside dans la régulation efficace de ces paramètres thermoélectriques couplés. Ces dernières années, des stratégies visant à améliorer les valeurs ZT ont émergé les unes après les autres, qui peuvent se résumer à l'amélioration des performances de transmission électrique ou à la réduction des performances de transmission thermique. Pendant longtemps, la construction de divers défauts pour réduire la conductivité thermique du réseau a été une stratégie efficace pour augmenter la valeur maximale de ZT. Cependant, lors du développement d'une large plage de température (élargissement de la portée de la courbe de température ZT) et de la recherche d'une faible consommation d'énergie des dispositifs (économie d'énergie), l'introduction de défauts peut s'avérer contre-productive. L'équipe a donc proposé une stratégie consistant d'abord à rechercher des matériaux intrinsèquement à faible conductivité thermique, puis à améliorer la mobilité des porteurs de charge [Science 367 (2020) 1196-1197, Science 378 (2022) 832-833].
En 2014, des recherches ont montré que l'effet non résonant du séléniure d'étain (SnSe) permet d'atteindre une conductivité thermique du réseau extrêmement faible [Nature 508 (2014) 373-377]. Depuis lors, l'équipe a continué d'explorer les propriétés uniques des cristaux de SnSe, découvrant et proposant le mécanisme d'amélioration du transport électrique avec la participation coordonnée de plusieurs bandes d'énergie [Science 351 (2016) 141-144], les caractéristiques de transport de charges tridimensionnelles/de phonons bidimensionnels [Science 360 (2018) 778-783], la régulation du potentiel de déformation pour favoriser le découplage électroacoustique [Science 375 (2022) 1385-1389], et la réalisation d'un refroidissement à température proche de la température ambiante basé sur la stratégie de maillage [Science 378 (2022) 832-833] et la stratégie de simplification du réseau [Science 380 (2023) 841-846]. Le SnSe, autrefois considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite inadapté aux applications thermoélectriques, est devenu un matériau idéal pour la production d'énergie par différence de température et le refroidissement thermoélectrique, transformant ce « vilain petit canard » en un « cygne blanc » [Heremans, JP. The ugly duckling, Nature 508 (2014) 327-328].
Tout en développant des cristaux de SnSe, l’équipe s'est également concentrée sur le développement de matériaux thermoélectriques hautes performances avec des réserves plus abondantes, des coûts plus faibles et des bandes interdites plus larges. En tant qu'analogue de SnSe, le sulfure d'étain (SnS) (abondance de réserve : S ≈ 420 ppm, Se ≈ 0,05 ppm) est l'un des composés cibles. Les matériaux à large bande interdite sont généralement des isolants à l'état non dopé. Pour résoudre ce problème, l'équipe a d'abord augmenté la mobilité des porteurs de charge en cultivant des cristaux de haute qualité, puis a régulé la structure de la bande électronique pour améliorer les performances de transport électrique. Des recherches antérieures ont révélé et exploité le processus d'évolution de la convergence entre les trois bandes de valence du SnS avec l'augmentation de la température (« convergence à triple bande », Triple-Band Convergence comme le montre la Figure 2A), découplant la contradiction entre la masse effective et la mobilité des porteurs de charge [Science 365 (2019) 1418-1424]. Par la suite, l'équipe a optimisé de manière significative les performances thermoélectriques à température proche de la température ambiante des cristaux de SnSe de type P en activant l'effet synergique des trois bandes de valence du SnSe dans l'espace d'énergie et d'impulsion (« synergie à trois bandes » Triple-Band Synglisis, Figure 2B), et a développé pour la première fois le potentiel de refroidissement thermoélectrique du SnSe [Science 373 (2021) 556-561]. Les recherches ci-dessus conduisent à une idée : est-il possible de développer des matériaux de refroidissement avec des bandes interdites plus larges en activant davantage de bandes d'énergie ?
Ce travail porte sur les cristaux de SnS avec une bande interdite de 1,2 eV, réalisant un effet de synergie à quatre bandes tel qu'illustré dans la Figure 2C en combinant la convergence et la synergie à trois bandes mentionnées ci-dessus. Tout d’abord, le Se est dissous dans le SnS pour réduire la bande interdite, puis le SnS2 est introduit pour générer davantage de lacunes de Sn. Les lacunes de Sn jouent deux rôles : 1. elles entraînent une augmentation significative de la concentration de porteurs de charge de trous, poussent le niveau de Fermi plus profondément dans la bande de valence et activent la quatrième bande de valence ; 2. la distorsion du réseau causée par les lacunes de Sn produit un effet synergique de la bande quadruple (convergence de l'espace d'impulsion et d'énergie, Quadruple-Band Synglisis). Le processus décrit ci-dessus a été entièrement validé par plusieurs méthodes de caractérisation, notamment la microscopie électronique en transmission par balayage corrigée des aberrations sphériques (AC-STEM), la diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron à haute température (SR-XRD), la spectroscopie de photoélectrons à résolution angulaire (ARPES), les mesures de spectroscopie térahertz (THz) et les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT).
Figure 2. Schéma de la synergie à quatre bandes : synergie de la convergence à trois bandes et de la fusion à trois bandes
Grâce à l'optimisation par l'effet de synergie à quatre bandes, les cristaux de SnS de type P à large bande interdite ont montré une efficacité de conversion thermoélectrique exceptionnelle dans la fabrication de dispositifs. Comme le montre la Figure 3C, le dispositif à bras unique peut atteindre une efficacité de production d'énergie d'environ 6,5 % lorsque la différence de température ΔT est de 480 K. Le dispositif de refroidissement thermoélectrique avec du tellurure de bismuth commercial de type N peut atteindre une différence de température de refroidissement maximale ΔTmax d'environ 48,4 K à une température d'extrémité chaude de 353 K (Figure 3D). Ce travail de recherche montre que le SnS, qui est abondant en réserves, peu coûteux et respectueux de l'environnement, a de larges perspectives d'application dans les domaines de la production d'électricité par différence de température et du refroidissement thermoélectrique.
Figure 3. Comparaison des performances thermoélectriques du SnS à quatre bandes avec celles du SnS à une, deux et trois bandes : (A) PF et (B) ZT ; (C) Efficacité de conversion à bras unique de SnS de type P ; (D) Comparaison des performances de refroidissement du SnS avec d'autres sulfures dans ce travail
Ce travail a impliqué des contributions du professeur CHANG Cheng et du post-doctorant QIN Bingchao de l'Institut des matériaux de l'Université Beihang, du chercheur CHANG Chao de l'Institut de la science, de la technologie et de l'innovation pour la défense nationale de l'Académie des sciences militaires, de l'équipe du Dr. LOU Jing, de l'équipe du professeur adjoint LIU Zhongkai du Laboratoire clé de physique topologique de l'Université des sciences et technologies de Shanghai, et de l'équipe du chercheur GAO Xiang du Centre de sciences des hautes pressions de Pékin. Ce travail a été principalement soutenu par le Fonds national des sciences pour les jeunes chercheurs distingués (51925101, 12225511), le Prix d'exploration scientifique, le Fonds national pour les sciences naturelles (52450001, 52002042, 51772012, 51571007, 12374023, 22409014, T2241002), le Fonds pour les jeunes talents de Pékin (JQ18004), le Plan 111 pour l'introduction des talents (B17002), le Programme national d'innovation pour les post-doctorants (BX20230456) et le Fonds de recherche post-doctorale de Chine (2024M754057, 2024M754059).
Le Centre d’innovation de la science et de la technologie bio-inspirées de l'Institut international d'innovation de l'Université Beihang se concentre sur les principaux besoins stratégiques nationaux tels que l'aérospatiale, les nouvelles énergies, etc., vise à promouvoir l'intégration interdisciplinaire et à développer des technologies de rupture futures telles que les matériaux structurels bio-inspirés, la nouvelle énergie bio-inspirée, l'impression 3D bio-inspirée, les robots bio-inspirés et la science de l'information bio-inspirée, à travers des approches bio-inspirées, afin de promouvoir la recherche de pointe dans le domaine de la science et de la technologie bio-inspirées internationales. Le centre, dirigé par le scientifique en chef, l'académicien JIANG Lei, se concentre sur les sciences et technologies clés à la pointe de la recherche académique internationale. S'appuyant sur l'influence précoce de l'Université Beihang dans le domaine des sciences bio-inspirées, le centre vise à mener des recherches sur l'intégration interdisciplinaire à la frontière scientifique internationale. En développant des collaborations internationales étendues et en surmontant les barrières à l'intégration disciplinaire, le centre soutient l'intégration interdisciplinaire de la chimie, des transports, des matériaux, de l'informatique et de la mécanique et favorise l'innovation par l'attraction de talents et la fusion entre l'éducation et l'industrie, avec pour objectif de promouvoir la transformation des résultats scientifiques avancés en applications pratiques, et de produire des résultats originaux, visionnaires et disruptifs, ainsi que des percées technologiques majeures, ouvrant ainsi de nouvelles voies à l'échelle internationale.
(Révision : Dong Zhuoning, Zhang Wei, Xu Shiwen)
Édition : Yuan Xiaohui
