Des nanostructures au service des générateurs thermoélectriques

Les générateurs thermoélectriques convertissent directement la chaleur en électricité. Contrairement aux moteurs thermiques, ils n'ont aucune pièce mobile et ne rejettent pas de gaz à effet de serre. Cependant, leur coût relativement élevé et leur faible rendement les limitent à des marchés de niche. En revanche, les nanofils semi-conducteurs (particulièrement leurs hétérostructures) présentent une faible conductivité thermique et une forte mobilité de porteurs, ce qui les rend intéressants pour la conversion d'énergie. Le fait d'améliorer notablement les propriétés thermoélectriques conduirait à plusieurs nouvelles utilisations.

Les scientifiques du projet WISE («Nanowire structures for energy conversion»), financé par l'UE, ont mis au point de nouvelles nanostructures semi-conductrices avec une meilleure dispersion des phonons. Le projet WISE a étudié le rendement thermoélectrique de nanofils homogènes et d'hétérostructures de semi-conducteurs III-V, fabriqués par diverses techniques de croissance directe sur silicium.

Un progrès important a été réalisé avec une nouvelle technique de croissance sélective de nanofil à partir de matrices de nanotubes, qui se passe de catalyseur. La matrice a été sélectivement remplie de nanofils par croissance homo et hétéro-épitaxiale, avec une morphologie totalement définie par la géométrie. Par rapport à la croissance de nanofils auto-catalysée ou par des métaux, les chercheurs n'ont constaté aucun mélange des (hétéro)interfaces et aucune formation cœur-coquille imprévue.

Les scientifiques ont totalement caractérisé les propriétés de transport électrique et thermique de nanofils d'arséniure d'indium (InAs). La conductivité thermique était 20 à 30 fois inférieure à celle de l'InAs en bloc.

Le projet WISE a démontré que les nanofils (des structures unidimensionnelles) sont des matériaux thermoélectriques efficaces. Il a aussi mis au point des techniques qui pourraient servir de voie générale d'intégration monolithique sur silicium de dispositifs électroniques et optoélectroniques basés sur des semi-conducteurs de type III-V.