Champ faible, courant fort : l'effet Nernst dans le graphène multicouche

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement. Mais si l'on place ce morceau dans un champ magnétique et qu'on le chauffe par un bord, les charges commencent à se déplacer dans une même direction, comme une foule qu'un agent de circulation dirige vers une seule sortie. Cet effet, découvert il y a plus d'un siècle, s'appelle l'effet Nernst. Jusqu'à présent, on le considérait comme trop faible dans les films de carbone bon marché pour être utilisé en pratique.

Les chercheurs ont cultivé un film de graphène multicouche par dépôt chimique en phase vapeur. L'épaisseur du film variait de 20 à 100 nanomètres, et les grains avaient une taille d'environ 10 micromètres. Le film était chauffé par un laser infrarouge focalisé d'une longueur d'onde de 8,1 micromètres et d'une puissance de 4 milliwatts, la tache ayant une taille d'environ 20 micromètres. Le champ magnétique était créé par des aimants permanents, et son intensité était déterminée à l'aide d'une courbe d'étalonnage de la magnétorésistance. La tension était mesurée entre la source et le drain, ainsi qu'entre les sondes de Hall, en balayant le laser sur toute la surface de l'échantillon.

Lorsqu'on a appliqué un champ de seulement 4 milliteslas, la tension transverse aux bords est devenue comparable à la tension longitudinale au contact, et le signe est devenu constant. Au champ maximal de 315 milliteslas, la force électromotrice thermique transverse a atteint 270 microvolts par kelvin. Cela correspond à un coefficient de Nernst de 800 microvolts par kelvin-tesla. Pour comparaison, l'antimoniure d'indium, un semi-conducteur de référence à haute mobilité, a un coefficient de Nernst d'environ 100 microvolts par kelvin-tesla. La magnétorésistance du film à 1 tesla était de 100 %, et l'ajustement de la partie quadratique a donné une mobilité de (3–5)×10^4 centimètres carrés par volt-seconde, ce qui est supérieur à celle du graphite ordinaire, en raison des couches tordues.

Auparavant, on pensait que le graphène multicouche cultivé chimiquement avait une mobilité trop faible pour produire un effet Nernst notable à température ambiante et sous des champs faibles. Il s'est avéré que la mobilité dans ces films atteint (3–5)×10^4 centimètres carrés par volt-seconde, et la force électromotrice thermique transverse atteint 270 microvolts par kelvin dès 315 milliteslas, ce qui est plusieurs fois supérieur à celui des semi-conducteurs de référence. Cela ouvre la voie à des générateurs thermoélectriques bon marché à base de graphite, en particulier pour la valorisation de la chaleur fatale à basse température.

Le champ magnétique a joué le rôle d'un agent de circulation qui a forcé les électrons et les trous à se déplacer dans la même direction, et le film de carbone bon marché s'est révélé être un thermoélectrique puissant. Aujourd'hui, on peut déjà concevoir des dispositifs qui collectent la chaleur perdue et la convertissent en électricité, en utilisant des films de graphite et des aimants faibles. Le même morceau de graphite qui traînait sur la table promet désormais de devenir la base de générateurs fonctionnant à la chaleur de la paume ou du pot d'échappement.