Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
Cet article démontre que des films de graphène multicouches dérivés par voie chimique, présentant des fluctuations d'épaisseur et de densité de porteurs, présentent un effet Nernst important à des champs magnétiques de l'ordre du millitesla, atteignant des valeurs de thermopouvoir transverse allant jusqu'à 250 V/K et soulignant leur potentiel pour la génération d'énergie thermoélectrique à grande échelle.
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La chaleur est souvent perçue comme un déchet, un sous-produit du fonctionnement des machines ou de l'écoulement de l'électricité qui se dissipe simplement dans l'air. Pourtant, depuis des décennies, les scientifiques recherchent des matériaux capables de transformer cette chaleur perdue directement en électricité utile, un processus connu sous le nom de thermoélectricité. Le défi consiste à trouver une substance qui conduit bien l'électricité mais bloque la chaleur, une combinaison difficile à obtenir. Le graphite, le matériau que l'on trouve dans la mine de crayon, et son cousin plus fin, le graphène, sont abondants et d'excellents conducteurs, ce qui en fait des candidats attrayants. Cependant, ils possèdent un défaut fondamental pour cette tâche : ce sont des matériaux « compensés », ce qui signifie qu'ils contiennent des nombres presque égaux de porteurs de charges positives et négatives. Ces charges opposées ont tendance à s'annuler mutuellement, ce qui ne produit presque aucune tension lorsqu'elles sont chauffées, les rendant inutiles pour la génération d'énergie dans des conditions normales.
Une équipe de chercheurs de l'Institut de physique de Moscou et de Skanda Rus a découvert un moyen de contourner cette limitation en utilisant un phénomène appelé effet Nernst. Cet effet se produit lorsqu'un matériau est chauffé alors qu'il est placé dans un champ magnétique. Dans la plupart des matériaux, la chaleur crée une tension qui pousse les charges en ligne droite du chaud vers le froid. Mais dans un champ magnétique, les charges positives et négatives sont déviées dans des directions latérales opposées, plutôt que de simplement avancer. Parce qu'elles se déplacent dans la même direction latérale malgré leurs charges opposées, elles s'additionnent au lieu de s'annuler, créant une forte tension transversale. Historiquement, observer cet effet nécessitait des températures extrêmement froides ou des aimants massifs et puissants, ce qui en faisait une curiosité de la physique de laboratoire plutôt qu'un outil pratique. Les chercheurs ont entrepris de voir si cet effet pouvait être extrait de couches de graphène ordinaires, produites chimiquement, à température ambiante, en utilisant seulement un petit aimant permanent.
L'équipe a travaillé avec un film macroscopique de graphène multicouche, un matériau cultivé par un processus chimique qui aboutit à une feuille présentant une épaisseur variable et une structure interne complexe. Ils ont donné à ce film la forme d'une bande longue et étroite et l'ont placée sur une platine où ils pouvaient contrôler le champ magnétique. Au lieu de chauffer toute la bande, ils ont utilisé un faisceau focalisé de lumière infrarouge pour chauffer un minuscule point sur le film, créant ainsi un gradient de température très spécifique en un endroit précis. En déplaçant ce point laser à travers le film et en mesurant la tension qui apparaissait entre différents contacts, ils ont cartographié la réponse du matériau à la chaleur sous différentes conditions magnétiques.
Au début, sans champ magnétique, les résultats étaient chaotiques. La tension mesurée en différents points fluctuait sauvagement, passant de positive à négative à mesure que le laser se déplaçait. Ce caractère aléatoire était causé par la nature irrégulière du film, où de minuscules régions agissaient comme des îlots séparés de charge positive ou négative. Cependant, dès que les chercheurs ont introduit un champ magnétique très faible, le chaos a disparu. Même avec une intensité de champ de seulement 4 millitesla — une infime fraction de la force utilisée dans un appareil d'IRM standard — les fluctuations aléatoires se sont lissées. La tension est devenue constante et forte, apparaissant clairement aux bords du film. La tension transversale, qui circule latéralement à travers le matériau, a crû pour égaler, puis dépasser, la tension qui circulait droit le long de la longueur du film.
Les chercheurs ont calculé que la capacité du matériau à générer cette tension latérale était remarquablement élevée. À la intensité de champ la plus faible testée, l'effet était déjà comparable aux meilleurs résultats observés dans d'autres matériaux de haute performance. En augmentant le champ magnétique à 315 millitesla, la capacité de génération de tension est montée à 250 microvolts par kelvin. C'est une découverte significative car elle démontre que l'effet Nernst peut être important et utile dans un matériau facile à fabriquer et qui ne nécessite pas de refroidissement extrême. L'étude a également révélé que l'effet est plus fort lorsque les lignes de champ magnétique s'alignent avec la direction du flux de chaleur et du courant résultant, une condition qu'ils ont confirmée en mesurant la tension à des contacts triangulaires spécifiques sur le film.
L'équipe a noté que le succès de cette expérience reposait sur la haute mobilité des électrons et des trous au sein du film de graphène, ce qui était probablement accentué par la façon dont les couches étaient torsadées les unes par rapport aux autres lors de la croissance. Cette structure interne permettait aux charges de se déplacer assez librement pour répondre fortement au champ magnétique. Bien que les chercheurs n'aient pas prétendu avoir construit un générateur électrique fonctionnel, leurs résultats suggèrent que de grandes feuilles de ce matériau pourraient être utilisées pour récolter l'énergie des sources de chaleur en utilisant seulement de petits aimants permanents. Ce travail remet en question la vision de longue date selon laquelle les matériaux à base de graphite sont trop « compensés » pour être utiles aux applications thermoélectriques, ouvissant une nouvelle voie pour transformer la chaleur perdue en électricité à l'aide de matériaux abondants et faciles à synthétiser.
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