Hétérostructures 2D pour la conversion d'énergie – 2DHECO

La récupération d’énergie est une préoccupation majeure de notre société, concentrant d'importants efforts de recherche. La recherche de nouveaux matériaux thermoélectriques (TE) est très demandée, en particulier dans la nanoélectronique. La conversion d'énergie des nanogénérateurs thermoelectriques est gouvernée par l'effet TE, qui est la création d’une différence de potentiel électrique par un matériau due à une différence de température. L'efficacité TE, ZT, est le paramètre pertinent que les chercheurs essayent d’améliorer. Des valeurs de ZT >> 1 sont généralement recherchées pour qu'un matériau TE soit exploitable. Les matériaux TE actifs doivent avoir une faible conductivité thermique et une conductivité électrique élevée, comportement antonymique dans les matériaux massif en raison de la loi de Wiedemann-Franz. Cette condition peut être réalisée par contre dans les systèmes nanostructurés. Pour cette raison la gestion et la compréhension du transport thermique à l'échelle nanométrique constituent un défi scientifique majeur. Des propriétés TE améliorées ont été démontrées dans les nanofils de Si (ZT = 1), dans les super-réseaux de Bi2Te3/Sb2Te3 (ZT = 2.4), dans les nanofils de InAs et Sb2Te3 et pour les nanotubes de carbone. Plus récemment, la découverte de matériaux bidimensionnels (2D) a ouvert de nouvelles pistes d'investigation. Des valeurs élevées de ZT ont été prédites dans le graphène nanostructuré et dans les dichalcogénures de métaux de transition (TMD). De plus, les matériaux 2D peuvent être assemblés couche par couche, donnant naissance aux hétérostructures de van der Waals (vdW). L'empilement de matériaux 2D garantit le découplage du substrat et de l'environnement et préserve les propriétés du matériau. Il a été démontré que les performances thermoélectriques du graphène sont bien améliorées s'il est découplé du substrat par du hBN, en raison de la réduction des fluctuations de potentiel induites par le substrat. Récemment, un nanogénérateur, pouvant récupérer la chaleur perdue avec des rendements de 7-8%, a été proposé théoriquement en utilisant des hétérostructures de vdW à base de WSe2 et MoSe2 prises en sandwich entre deux électrodes en graphène. De plus, le SnS2 bidimensionnel a révélé une corrélation négative entre les conductivités électrique et thermique, hautement souhaitable pour les applications TE. Les hétérostructures de VdW cachent donc des propriétés potentiellement surprenantes pour les performances thermoélectriques.
Dans ce contexte, le projet 2DHECO vise à développer des nouveaux dispositifs pour améliorer l'efficacité thermoélectrique à l'échelle nanométrique, ouvrant la voie à la thermoélectricité basée sur les hétérostructures de vdW.
Les objectifs couvrent différents défis techniques et scientifiques:
1. Fabrication de dispositifs stables et reproductibles basés sur des hétérostructures de vdW avec différents matériaux 2D (graphène, hBN, WSe2 et SnS2) avec la séquence et l'orientation relative entre les couches souhaitées. L'hétérostructure constituera l’élément TE actif.
2. Étude expérimental des propriétés électriques, thermoélectriques et thermiques des dispositifs fabriqués par des techniques de transport DC et AC et par l'approche Raman opthothermique, afin d'extraire des valeurs fiables de figure de mérite (des ZT supérieurs à 2-3 sont attendus) .
3. Exploration de 2 approches principales pour l'ingénierie des conductivités thermique et électrique:
- nanostructurer les matériaux 2D dans l'hétérostructure avec des réseaux de motifs périodiques de différentes géométries et paramètres de réseau
- modifier la surface du matériau 2D dans l'hétérostructure par fonctionnalisation moléculaire, pour contrôler la densité des porteurs de charge et des défauts et pour augmenter la diffusion des phonons.
Ce projet permettra d'identifier de nouvelles performances thermoélectriques dans les hétérostructure à base des matériaux 2D et d'apporter de nouvelles perspectives pour les applications.