Métaux et semi-conducteurs pour l'effet Seebeck : Guide matériaux thermoélectriques
L'Effet Seebeck — génération tension à partir gradient température à travers matériau — est fondement thermocouples et générateurs thermoélectriques (TEG). Sélection matériaux est exercice équilibre entre Coefficient Seebeck (S) [µV/K], Résistivité électrique (ρ) [Ω·m], et Conductivité thermique (κ) [W/m·K], combinées en Figure de mérite adimensionnelle : ZT = S²σT/κ (où σ = 1/ρ). Haut ZT = haute efficacité.
1. Alliages thermocouples standards (Métaux) — Focus mesure température
Priorisent stabilité, reproductibilité, linéarité sur ZT brut. Définis CEI 60584 / ASTM E230.
| Type | Jambe positive | Jambe négative | Plage (°C) | Traits clés |
|---|---|---|---|---|
| K | Chromel (Ni-Cr) | Alumel (Ni-Mn-Al-Si) | -200 à +1260 | Usage général, résistant oxydation, plus courant. |
| J | Fer (Fe) | Constantan (Cu-Ni) | -40 à +750 | Haute sensibilité, atm réductrice seulement (Fe s'oxyde). |
| T | Cuivre (Cu) | Constantan (Cu-Ni) | -200 à +350 | Meilleure précision basses temp, non-magnétique. |
| E | Chromel (Ni-Cr) | Constantan (Cu-Ni) | -200 à +900 | Plus haut signal (68 µV/K), non-magnétique. |
| N | Nicrosil (Ni-Cr-Si) | Nisil (Ni-Si-Mg) | -270 à +1300 | Meilleure stabilité/oxydation que K haute T. |
| S / R / B | Pt-Rh (10%/13%/30% Rh) | Pt pur (ou Pt-6%Rh pour B) | 0 à +1600/1700 | Métal noble, haute temp, dérive faible, cher, faible sensibilité. |
Constantan (55Cu/45Ni) est jambe négative "universelle" pour J, T, E grâce courbe S vs T plate. Chromel/Alumel sont chevaux bataille industriel haute temp.
2. Semi-conducteurs thermoélectriques haute performance — Focus génération puissance/refroidissement
Conçus pour haut ZT, utilisés dans refroidisseurs Peltier (TEC) et Générateurs Thermoélectriques Radioisotopes (RTG).
| Système matériau | Type | Plage T pic ZT | Applications |
|---|---|---|---|
| Bi₂Te₃ (Tellurure bismuth) & alliages (BiSbTe, BiTeSe) | p & n | ~Temp ambiante (200-400 K) | TEC, refroidisseurs CPU, récupération wearable, RTG (basse T). Standard industriel. |
| PbTe (Tellurure plomb) & TAGS (AgGeTe) | p & n | Temp moyenne (500-900 K) | RTG (Voyager, Curiosity), récupération chaleur fatale industrielle. |
| SiGe (Silicium-Germanium) | p & n | Haute temp (900-1300 K) | RTG spatial (GPHS-RTG, MMRTG), environnements sévères. |
| Skuttérudites (CoSb₃ base) | p & n | Moyenne-Haute (500-800 K) | Émergent : récupération échappement auto, ZT > PbTe. |
| Demi-Heusler (TiNiSn, ZrNiSn, NbFeSb) | p & n | Haute (700-1000 K) | Robuste mécanique, non-toxique, bon auto/industriel. |
| Mg₂Si / Mg₂Sn | n-type principalement | Moyenne (500-800 K) | Faible coût, non-toxique, éléments abondants. Émergent. |
| SnSe (Séléniure étain) | p-type | ~800-900 K | ZT record (~2,6) monocristal ; polycristallin difficile. |
3. Critères sélection clés
- Température fonctionnement (Tchaud, Tfroid) : ZT matériel pic à T spécifique. Adapter matériel à votre ΔT.
- Compatibilité mécanique/chimique : CTE match électrodes/substrats ; sublimation (Bi₂Te₃), oxydation (PbTe), toxicité (Pb, Te).
- Géométrie jambes & Résistance contact : Haute σ aide, mais barrières métallisation (Ni, TiW) ajoutent résistance.
- Coût & Fabricabilité : Bi₂Te₃ mature/bon marché. Skuttérudites/Demi-Heuslers besoin frittage plasma chaud/presse chaude.
Résumé
Pour détection température : Choisir types Thermocouples standards (K, J, T, N, S) selon plage/atmosphère. Pour génération puissance/refroidissement : Bi₂Te₃ domine près ambiante ; PbTe/TAGS/Skuttérudites possèdent temp moyenne ; SiGe/Demi-Heuslers possèdent haute temp. Domaine actif — nouveaux oxydes dopés (ex. CaMnO₃, NaCo₂O₄) et matériaux 2D repoussent frontières ZT.