Alliages d’Heusler thermoélectriques à bas coût – LoCoThermH

Pour diminuer la conductivité thermique de Fe2VAl et améliorer ses propriétés thermoélectriques, une approche multi-échelles est mise en œuvre, où l'ensemble du spectre des phonons qui transportent de la chaleur est fortement diffusé à l’échelle atomique, nanométrique et mésoscopique (< 1 µm). Pour intensifier la diffusion des phonons à une échelle atomique, des solutions solides avec des substitutions multiples comme dans Fe2V1 yTyAl1-zXz (T, X = autres éléments du tableau périodique) sont examinées expérimentalement et théoriquement. Pour intensifier la diffusion des phonons à une échelle nanométrique, des nano-inclusions (~20 nm) d'une phase secondaire sont introduites. À une échelle mésoscopique, la réduction de la taille des grains entraîne la multiplication des joints de grains qui diffusent également les phonons. En combinant ces effets en un seul alliage, la conductivité thermique est fortement réduite et ainsi, les performances thermoélectriques de Fe2VAl sont améliorées.

1 - Les défauts d’antisite modifient la structure électronique de Fe2VAl : à forte concentration, ces défauts ouvrent une bande interdite.
2 – Un optimum de facteur de puissance thermoélectrique a été atteint dans Fe2V1.03Al0.97 de type n ; une valeur élevée mais non optimum a été atteinte dans Fe2V0.985Al1.015 de type p.
3 – Calculs et expériences montrent que Fe2V1-xTaxAl1-xSnx a une conductivité thermique plus faible que Fe2V1-2xTa2xAl.
4- Le facteur de mérite thermoélectrique égale la valeur record ZT = 0.3 à 300 K dans Fe2V0.96Ta0.07Al0.97 à grains mesostructurés et conductivité thermique réduite.

D’un point de vue théorique, il serait utile d’identifier les descripteurs chimiques responsables de l’ouverture du gap de Fe2VAl et d’étudier d’autres dopants / substituants pour augmenter plus encore le facteur de mérite. D’un point de vue expérimental, Fe2VAl pourrait être mis en œuvre sous forme de films minces dans un thermogénérateur planaire.

La réfutation théorique de la possibilité d’un facteur de mérite extrême dans un film mince de Fe2V0.8W0.2Al a d’abord été publié. Ensuite, l’effet des défauts d’antisite sur la structure électronique de Fe2VAl et de la plus faible conductivité thermique de Fe2V1-xTaxAl1-xSnx ont donné lieu à deux autres articles. Les facteurs de puissance élevés dans Fe2V1+xAl1-x ont eux aussi été publiés tandis que ZT = 0.3 dans Fe2V0.96Ta0.07Al0.97 n’a pour le moment été que communiqué en congrès.

La réfrigération thermoélectrique (RTE) basée sur des matériaux avec un facteur de mérite thermoélectrique (ZT) supérieur à 0,2 à 300 K peut concurrencer la réfrigération par absorption tandis que la RTE à base de matériaux avec des ZT supérieurs à 1 à 300 K peut concurrencer les systèmes de climatisation actuels. Les mêmes matériaux peuvent être incorporés dans des générateurs thermoélectriques (GTE) de faible puissance alimentant les capteurs nécessaires aux applications telles que les « Objets Connectés » ou l’ « Usine 4.0 ». Bi2Te3 et ses dérivées (ZT = 1) existent déjà et sont effectivement commercialisés dans des applications de RTE & GTE. Cependant, le coût et la toxicité du tellure empêchent une utilisation large de Bi2Te3. De nouveaux matériaux peu coûteux et non toxiques sont donc nécessaires pour le remplacer. L'alliage d’Heusler Fe2VAl pourrait être considéré comme un substitut à Bi2Te3 pour les applications de RTE & GTE à 300K. Ses éléments sont effectivement non toxiques et peu coûteux. En outre, Fe2VAl peut être dopé aussi bien de type n que de type p et la combinaison de son coefficient Seebeck et de sa conductivité électrique est meilleure que celle de Bi2Te3. Cependant, sa conductivité thermique (28 W m-1 K-1 à 300 K) est défavorable aux applications de RTE & GTE car elle est d'un ordre de grandeur plus grande que dans Bi2Te3. Cela conduit à ZT = 0,2 à 300K dans Fe2VAl, une valeur trop petite pour concurrencer Bi2Te3.
Pour résoudre ce problème, le consortium de recherche constitué de l'Institut de Chimie et de Matériaux Paris-Est (ICMPE, Thiais) et l'Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM) propose de réduire la conductivité thermique de Fe2VAl - sans dégrader la combinaison favorable de son coefficient Seebeck et de sa conductivité électrique - en suivant une approche multi-échelles où l'ensemble du spectre des phonons qui transportent de la chaleur, sera fortement diffusé: à une échelle atomique, en substituant un élément chimique par un autre élément de masse plus grande; à l'échelle nanométrique, par des nano-précipités d'une phase secondaire ; à l'échelle mésoscopique (< 500 nm), par les nombreux joints de grains introduits lors de la réduction de la taille des grains constituant le polycristal. Pour intensifier la diffusion des phonons à une échelle atomique, des solutions solides avec des substitutions multiples comme dans Fe2-xMxV1-yTyAl1-zXz (M, T, X = autres éléments du tableau périodique) seront examinées expérimentalement. Le choix des substituants sera guidé par les calculs « premiers principes » des propriétés thermoélectriques qui seront réalisés dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Ces calculs aideront également la recherche des substituants maximisant son coefficient Seebeck et sa conductivité électrique (type n & p). Pour intensifier la diffusion des phonons à une échelle nanométrique, les nano-inclusions d'une phase secondaire seront introduits. À une échelle mésoscopique, la réduction de la taille des grains par des techniques de broyage et de frittage entraînera la multiplication des joints de grains qui diffusent également les phonons. En combinant tous ces effets en un seul alliage, la conductivité thermique phononique sera fortement réduite et ainsi, le ZT de Fe2VAl sera amélioré.
D'un point de vue fondamental, ce projet sera un jalon dans la recherche de nouveaux matériaux thermoélectriques car très peu d’exemples de réduction intentionnelle de la conductivité thermique par une approche multi-échelles sont connus dans la littérature. En outre, la comparaison des calculs des propriétés thermoélectriques avec les résultats expérimentaux conduira à une évaluation détaillée et objective de leur caractère prédictif. D'un point de vue technologique, le degré de maturité de Fe2VAl sera augmenté et l'existence d'un matériau thermoélectrique bon marché devrait susciter des partenariats avec l'industrie.