Rêver l’électrothermique : la structure en Rubik’s Cube libère le potentiel de Heusler

Patrick Lesggie

Par Weiwei Zhao et Zhuoyang Ti, Académie chinoise des sciences (CAS) 4 janvier 2024

Des chercheurs ont développé des matériaux de type Slater-Pauling (S-P) Heusler, ressemblant à une structure de Rubik’s cube, avec des applications thermoélectriques prometteuses. Ces matériaux défient les règles classiques des semi-conducteurs tout en conservant un comportement de semi-conducteur. Crédit : Académie chinoise des sciences

Des scientifiques ont créé des matériaux de type Slater-Pauling Heusler uniques présentant des propriétés de semi-conducteur, offrant un potentiel significatif dans les applications thermoélectriques. Leur recherche révèle la redistribution unique des électrons de ces matériaux et leurs propriétés thermiques.

Récemment, des chercheurs des instituts de sciences physiques de Hefei (HFIPS) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) ont conçu des matériaux de type Slater-Pauling (S-P) Heusler avec une structure unique ressemblant à un Rubik’s cube. Ces matériaux ont montré un potentiel dans les applications thermoélectriques en raison de leurs propriétés de semi-conducteur.

Comportement unique des semi-conducteurs

« Dans les alliages traditionnels de semi-conducteurs Heusler, le nombre d’électrons de valence suit une règle spécifique. Cependant, ces composés S-P Heusler défient cette règle tout en conservant un comportement de semi-conducteur », a déclaré Zhuoyang Ti, premier auteur de l’article, « nous avons expliqué avec succès les raisons sous-jacentes de ce phénomène dans cette étude ».

Ces résultats ont été publiés dans Physical Review B.

Structures cristallines TiFe1.5Sb et MCo1.33Sn prédites théoriquement

Figure 1. Structures cristallines TiFe1.5Sb et MCo1.33Sn prédites théoriquement et organisation des sous-structures. Crédit : Zhuoyang Ti

Exploration des composés de Heusler hors-stoechiométriques

Certains composés de Heusler hors-stoechiométriques ont été prédits pour présenter des caractéristiques de semi-conducteur. Cependant, le comportement de liaison de ces semi-conducteurs S-P et la relation entre leur structure cristalline et leurs performances thermoélectriques sont restés flous.

Recherche approfondie sur les systèmes Heusler

Dans cette recherche, l’équipe s’est concentrée sur deux systèmes Heusler : Ti-Fe-Sb et M-Co-Sn (M = Ti, Zr, Hf). Dans ces deux systèmes, ils ont prédit les semi-conducteurs S-P TiFe1.5Sb et MCo1.33Sn thermodynamiquement stables.

État atomique résolu et population d'orbitales cristallines de TiFe1.5Sb

Figure 2. (a, b) État atomique résolu et population d’orbitales cristallines (COHP) de TiFe1.5Sb. (c, d) Illustration schématique du diagramme moléculaire orbital (MO) pour la formation de TiFe1.5Sb. Crédit : Zhuoyang Ti

Compréhension des propriétés uniques

Les chercheurs ont ensuite expliqué la raison derrière les propriétés uniques de ces composés.

En approfondissant, les chercheurs ont expliqué les propriétés uniques de ces composés. Au-delà des géométries locales HH et FH reconnues, ces structures S-P incorporent des sous-structures HH défectueuses (DH) et FH défectueuses (DF). Cela est dû à l’occupation partielle des atomes Y (Fe ou Co) au site de Wyckoff 4d. Une conséquence intrigante en est la formation de modèles de Rubik’s cube de deuxième et troisième ordre dans TiFe1.5Sb et MCo1.33Sn, attribuée à l’empilement régulier de ces sous-structures.

Cet agencement unique est essentiel dans la redistribution des électrons dans le réseau, menant à la formation d’une bande interdite. Cela réduit également la température de Debye des phonons et améliore les vibrations anharmoniques, ce qui à son tour supprime la conductivité thermique du réseau. En conséquence, ces matériaux présentent des conductivités thermiques plus faibles par rapport aux composés HH et FH traditionnels. Notamment, la valeur zT calculée du ZrCo1.33Sn de type p atteint 0,54 à 1000K, grâce à son facteur de puissance élevé et à sa faible conductivité thermique.

Conclusion et impact potentiel

« Notre recherche prévoit des semi-conducteurs S-P Heusler uniques avec des capacités thermoélectriques exceptionnelles et clarifie le mécanisme physique à l’origine de leur émergence », a déclaré Zhuoyang Ti.

Référence : « Propriétés de liaison des semi-conducteurs de Slater-Pauling Heusler de type Rubik’s cube pour la thermoélectricité » par Zhuoyang Ti, Jianbo Zhu, Shuping Guo, Jingyu Li, Xiaobing Liu et Yongsheng Zhang, 15 novembre 2023, Physical Review B.
DOI : 10.1103/PhysRevB.108.195203