Les matériaux thermo-électriques sont utilisés depuis les années 90, notamment dans la réfrigération et dans la thermométrie. Depuis, la recherche sur ce sujet a suivi son cours jusqu’à faire des progrès fulgurants, et on peut s’attendre à voir les matériaux thermo-électriques s’intégrer prochainement à notre quotidien. Il devient donc nécessaire de mesurer efficacement les propriétés thermo-électriques des matériaux. Dans cet article, vous découvrirez les principales propriétés thermo-électriques et leurs différentes techniques de mesure.
Quelles sont les principales propriétés thermo-électriques et comment les mesure-t-on ?
Les matériaux thermo-électriques ont de nombreuses propriétés liées à leur capacité à transformer la chaleur en électricité. Parmi celles-ci, les principales sont le coefficient de Seebeck et la constante de Hall. La mesure des propriétés thermo-électriques se fait grâce à divers appareils de mesure spécifiques. Pour en apprendre davantage sur ces appareils et leurs conditions d’utilisation, vous pourrez vous rapprocher d’enseignes spécialisées dans leur vente et leur conception. Ce procédé de mesure est d’une importance capitale, car c’est cela qui permet une meilleure connaissance des capacités du matériau, et donc une utilisation de celui-ci en toute sécurité et dans des conditions optimales. En dehors des deux propriétés précédemment mentionnées, il en existe plusieurs autres qui peuvent également être importantes à mesurer. Il s’agit notamment de :
- la résistivité électrique
- la diffusivité thermique
- la magnétorésistance
- la mobilité
- la conductivité alpha
- et la résistance des porteurs de charge
La mesure du coefficient Seebeck et de la résistivité électrique
L’effet Seebeck a été découvert par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Il s’agit d’un phénomène par lequel une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de températures. Le coefficient de Seebeck, quant à lui, exprime cette différence de potentiel entre le matériau à mesurer et une référence.
Il existe plusieurs appareils pouvant servir à mesurer le coefficient de Seebeck. L’un d’entre eux, le LSR-3 permet de mesurer le coefficient de Seebeck et la résistivité électrique. Pour cela, l’appareil chauffe l’échantillon du matériel thermo-électrique à évaluer à la température voulue, puis crée un gradient de température. Ensuite, des thermocouples mesurent le gradient de température, puis la différence de potentiel afin d’exprimer la résistance thermique et le coefficient de Seebeck. L’avantage du LSR-3 est qu’il mesure deux propriétés en une seule analyse, mais il existe des appareils encore plus performants.
Le LZT meter peut évaluer le coefficient de Seebeck, la résistivité électrique et la diffusivité thermique. Il peut même à combiner ces trois mesures pour fournir le facteur de référence du matériau thermo-électrique qu’il doit évaluer. Pour cela, l’appareil se sert de deux technologies : le LSR et le LFA.
Le LZT meter offre de nombreux avantages par rapport à ses concurrents. Il permet en une seule analyse, dans des conditions environnementales, stœchiométriques et géométriques fixes, d’obtenir quatre propriétés de l’échantillon à analyser en même temps. Il fait perdre moins de temps en manipulations et mesures diverses tout en diminuant le risque d’erreurs.
La mesure de la constante de Hall
L’effet Hall est découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall. Il trouve son origine dans la nature du courant qui traverse un matériau conducteur. La nature de ce courant dépend du mouvement des éléments porteurs de charges qui sont présents dans le matériel. Dans le cas des matériaux thermo-électriques (des métaux pour la plupart), les éléments porteurs de charges sont majoritairement des électrons, ce qui permet la mesure de la constante de Hall.
Pour mesurer la constante de Hall vous pouvez vous servir du L79/HCS. Cet appareil permet également de mesurer :
- la mobilité
- la résistivité
- la conductivité alpha
- la magnétorésistance
- et la concentration de porteurs de charges
C’est cette polyvalence qui fait de cet appareil un outil si précieux dans la mesure des propriétés thermo-électriques des matériaux. Pour faciliter la mesure de ces dernières – pour la facilité, essayez Itea Prop – le L79/HCS dispose d’un logiciel sous Windows permettant de tracer des diagrammes I-V et I-R très précis. Il a été conçu pour mesurer les propriétés d’une large gamme de matériaux comprenant par exemple diverses couches de métaux, du silicium et des oxydes.
La mesure des propriétés thermo-électriques sur des couches minces
La mesure des propriétés thermo-électriques des matériaux peut avoir différents résultats selon le type de couche en question. Dans le cas des couches minces, afin de pouvoir caractériser leurs grandeurs thermo-électriques, la mesure doit être faite avec un appareil spécifique. Il faut en effet un appareil adapté pour les particularités d’une mesure sur couches minces.
Le TFA ou Thin Film Analyser a justement été conçu pour cela. Cet appareil répond parfaitement aux exigences que requiert la mesure des propriétés thermo-électriques d’une couche mince. Il peut notamment effectuer ces mesures sur une large gamme de températures. Pour l’utiliser, il suffit de disposer la couche à analyser sur son capteur et il se chargera de la mesure.
Il permet de mesurer :
- la conductivité thermique
- la résistivité électrique
- la conductivité électrique
- le coefficient Seebeck
- l’émissivité
- et la capacité calorifique
De plus, en utilisant un aimant, vous pourrez également mesurer la constante de Hall, la mobilité et la concentration des porteurs de charge.
Le TFA est donc un appareil innovant, rapide et simple d’utilisation. Il répond en outre à la problématique très importante qu’est la mesure des propriétés thermo-électriques des couches minces.
Pour conclure, il existe différentes propriétés thermo-électriques dont les plus importantes sont le coefficient de Seebeck, la constante de Hall, la résistivité électrique, la diffusivité thermique, la magnétorésistance, la mobilité, la conductivité alpha et la résistance des porteurs de charge. Chacune de ses propriétés a son importance et nécessite d’être mesurée afin de caractériser au mieux le matériau thermo-électrique. La mesure de ces propriétés thermo-électriques se fait grâce à divers appareils dont certains permettent de mesurer plusieurs propriétés à la fois.
