Un modèle générique pour la thermoélectricité des polymères conducteurs

L'effet thermoélectrique, qui convertit directement la chaleur en électricité, est un moyen de récupérer de l'énergie, par exemple dans les équipements qui dissipent de la chaleur. Les polymères conducteurs ont des performances thermoélectriques intéressantes, mais leur optimisation demanderait une meilleure compréhension des phénomènes de transport électrique et thermique dans ces matériaux.

Une avancée significative a été réalisée par des équipes des laboratoires Matériaux, microélectronique, acoustique et nanotechnologies (GREMAN, CNRS/INSA/Université de Tours) et Physico-chimie des matériaux et des électrolytes pour l’énergie (PCM2E, Université de Tours), qui proposent un modèle générique des propriétés thermoélectriques des polymères conducteurs. Ce modèle permet de rendre compte de la corrélation empirique, constatée dans de nombreux polymères conducteurs, entre le pouvoir thermoélectrique α et la conductivité électrique σ.

En effet, les mesures expérimentales réalisées sur ce type de matériaux montrent que α varie comme σ^-1/s, avec s= 4. Or, les modèles de la thermoélectricité fondés sur des porteurs de charge conventionnels (électrons) n'expliquent au mieux qu'un exposant s=3. 

Les chercheurs ont d'abord démontré que l'exposant s est en fait la somme de 3 exposants :

 s = Θ + ν + γ1 . Ils ont ensuite étudié différents mécanismes pouvant modéliser le comportement des porteurs de charge, chacun correspondant à des valeurs des 3 exposants. De cette étude, il est ressorti que seul un modèle considérant des porteurs de charge sans masse (comme des photons) et pseudo relativiste (leur vitesse est constante, mais n'est pas celle de la lumière), appelés des fermions de Dirac, permet d'interpréter théoriquement la relation empirique entre le pouvoir thermoélectrique α et la conductivité électrique σ. Cette nouvelle manière de décrire les propriétés électroniques des polymères conducteurs ouvrent des pistes de recherche pour les équipes travaillant sur ces matériaux.

© GREMAN
Variation du pouvoir thermoélectrique α en fonction de la conductivité électrique σ dans de nombreux polymères conducteurs à température ambiante. Les lignes sont obtenues à partir des expressions semi-classiques générales des coefficients de transport conduisant à la relation α∝σ^-1/4 en régime dégénéré. L’insert représente la chaîne carbonée du poly(3,4-éthylènedioxythyophène) ou PEDOT.

Références

Thermopower scaling in conducting polymers.
M. Lepinoy, P. Limelette, B. Schmaltz, F. Tran Van.
Scientific Reports 10, 8086 (2020)
https://doi.org/10.1038/s41598-020-64951-z

• 1Θ, ν et γ caractérisent respectivement la dépendance en énergie du temps de relaxation, du carré de la vitesse, et de la densité d'états des porteurs de charge.