Contrôler la chaleur grâce aux matériaux ferroélectriques : les avancées des chercheurs du GREMAN

Au GREMAN, une équipe pluridisciplinaire de chimistes et de physiciens, basée à Tours et à Blois, a mené depuis deux ans et demi des travaux innovants sur la gestion de la chaleur dans les matériaux ferroélectriques. Ces recherches ont également impliqué plusieurs étudiants de master, doctorants et postdoctorants. Le projet se poursuivra encore pendant deux ans et demi, offrant de nouvelles perspectives pour son développement. 

 

Une nouvelle approche pour contrôler la chaleur 

Les matériaux étudiés sont des céramiques ferroélectriques. Elles possèdent une polarisation électrique spontanée, c’est-à-dire une séparation permanente, au sein du matériau, des charges électriques positives et négatives. Chaque grain des céramiques est constitué de plusieurs domaines ferroélectriques qui sont des zones où la polarisation électrique est orientée de manière uniforme. C’est aux interfaces entre ces domaines, appelées parois de domaines, là où la direction de la polarisation change, que tout se joue. En effet, l’objectif de l’équipe est d’exploiter les interactions entre les phonons, les ondes thermiques responsables du transport de la chaleur et les parois de domaines. Ce sont à ces interfaces que se produit la diffusion des phonons. 

Cette approche ouvre de nouvelles perspectives en ingénierie microstructurale des matériaux, permettant de mieux contrôler simultanément leurs propriétés mécaniques, électriques et thermiques. Elle a notamment permis d’obtenir une augmentation de la conductivité thermique en diminuant la taille des grains de la céramique, un comportement contre-intuitif initialement. 
 

Une collaboration internationale 

Ces travaux sur les céramiques du matériau ErMnO3 associent plusieurs chercheurs du laboratoire GREMAN de l’Université de Tours : Rachid Belrhiti-Nejjar, Patrice Limelette, Lucile Feger, Isabelle Monot-Lafez, Fabien Giovannelli et Guillaume Nataf.  

Ils ont été menés en collaboration avec des équipes de l’Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (Université de Reims), de la Norwegian University of Science and Technology et de l’Université d’Augsbourg. 
 

Un projet soutenu par l’ERC 

Spécialiste des microstructures dans les matériaux ferroïques, Guillaume Nataf a obtenu en 2022 une bourse ERC Starting Grant appelée DYNAMHEAT. Son objectif est de développer des interrupteurs et des diodes thermiques pour améliorer la performance des dispositifs de récupération et de conversion de l’énergie. 
 

Vers des dispositifs plus performants 

En apportant une meilleure compréhension du rôle des parois de domaines dans le transport thermique, ces travaux ouvrent la voie à des dispositifs thermiques innovants et contribuent à relever les défis de l’efficacité énergétique. 
 

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Ce projet est mené en partenariat avec le GREMAN, le CNRS, l’ERC DYNAMHEAT, l’Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux de l’Université de Reims, la Norwegian University of Science and Technology et l’Université d’Augsbourg.