Composites de nanofils de Bismuth / silice nanoporeuse pour applications de type Peltier – NanoBiPelt

Les technologies de refroidissement sont indispensables dans de nombreux domaines allant des applications courantes (comme les réfrigérateurs domestiques) aux applications de haute technologie telles que refroidissement des dispositifs optoélectroniques ou supraconducteurs.
Malgré l’existence de dispositifs solides à effet Peltier, les techniques de refroidissement utilisées de nos jours sont principalement basées sur des compresseurs et des cryofluides avec tous les inconvénients inhérents à ce genre de dispositifs. En effet l’efficacité et la puissance thermique des réfrigérateurs Peltier sont trop faibles et leur coût trop élevé. Cependant la nanostructuration est une piste pour améliorer significativement l’efficacité des meilleurs matériaux thermoélectriques pour leur utilisation dans des dispositifs Peltier basse température. C’est ce qui a été prédit par exemple par des calculs il y a une vingtaine d’années pour des nanofils de Bi-Sb de très faibles diamètres. On pourrait ainsi augmenter de manière significative leur capacité réfrigérante, ce qui rend possible le développement de dispositifs solides de refroidissements à basses températures compétitifs, en particulier en dessous de 200K. Les propriétés thermoélectriques des nanofils de Bi-Sb de diamètres inférieurs à 10 nm n’ont jamais été étudiées en raison des problèmes rencontrés lors de leur synthèse. Le présent projet va combler ce vide grâce à une méthode de synthèse originale permettant de concevoir des nanocomposites contenant des nanofils Bi-Sb de faibles diamètres.
Le but du projet nanoBiPelt est de développer un nouveau type de nanocomposites pour les dispositifs de refroidissement à effet Peltier. Des nanofils Bi-Sb de diamètre 0.5-5 nm seront incorporés dans les pores 1D de zéolithes ou de silices mésoporeuses afin d’exacerber les propriétés électroniques du bismuth et de diminuer fortement sa conductivité thermique. Dans ce projet, nous utiliserons une méthode innovante et originale pour fabriquer des nano-composites sous haute pression et haute température afin d’obtenir des nanofils cristallins de Bi-Sb homogènes et de faibles diamètres. Leur structure et leurs propriétés physiques, en particulier les propriétés thermoélectriques seront étudiées en fonction de leur diamètre de quelques nanomètres à l’échelle sub-nanométrique. Le but de ce projet est d’étudier les performances de tels nanocomposites afin de concevoir un dispositif de refroidissement efficace sans fluide cryogénique. Ce projet est divisé en 2 parties: optimisation du processus de synthèse du nanocomposite; étude de ses propriétés physiques et particulièrement thermoélectriques. Pour atteindre les buts de ce projet, un consortium complémentaire composé de physiciens et de chimistes a été formé par trois partenaires académiques: l’ICGM et le L2C à Montpellier et l’Institut Néel à Grenoble, avec toutes les compétences requises en synthèse de matériaux micro et mésoporeux, en techniques haute pression, en spectroscopies électroniques et vibrationelles et en thermoélectricité.
Le succès du projet actuellement soumis permettrait tout d’abord de concevoir des dispositifs Peltier pouvant potentiellement descendre jusqu’à 100 K ciblant principalement les applications de refroidissement des dispositifs optoélectroniques et supraconducteurs.
Il permettrait de proposer une nouvelle solution matériau pour les applications de refroidissement Peltier à grande échelle car actuellement les principaux réfrigérateurs thermoélectriques utilisés sont composé d’alliages de Bi2Te3, en particulier au-dessus de 250 K. En cas de succès du projet, nous nous rapprocherons de la SATT de la région Occitanie afin de passer à l’étape suivante de développement industriel de module Peltier basé sur les nanocomposites obtenus lors du présent projet.