Un enseignant-chercheur de l'ISEN décroche une bourse ERC Starting Grant 2013

Jean-François Robillard, enseignant-chercheur à l’ISEN (Institut Supérieur d’Electronique et du Numérique) travaillant au sein du groupe Microélectronique de l’IEMN vient de décrocher une subvention de 1.5 million d’euros sur 5 ans de l’European Research Council, pour son projet, nommé UPTEG « Unconventional Principles of ThermoElectric Generation ». Les projets sont évalués par des pairs qui jugent de l'excellence et de l’exclusivité du projet de recherche. Le projet de Jean-François Robillard a été choisi parmi 3329 propositions. Chaque année l’ERC attribue 400 bourses à des jeunes chercheurs (moins de 8 ans après leur thèse), ainsi seuls 10% des projets sont retenus. Cette Bourse va permettre à Jean-François Robillard de mettre sur pied une équipe composée de 3 doctorants, 2 post-doctorants avec l’aide chercheurs et ingénieurs, mais aussi de financer les coûts technologiques et des actions de diffusion scientifique (conférences, revues spécialisées…) de son ambitieuse recherche et donner ainsi de la visibilité aux actions de l’ERC. Le projet repose sur un important travail de simulation, d’ingénierie des matériaux et de technologie pour mettre en pratique deux nouveaux types de récupérateurs/convertisseurs d’énergie thermique en énergie électrique. Il s’appuiera sur les ressources exceptionnelles de micro et nano fabrication et de caractérisation de l’IEMN.

Historique d’un projet ambitieux et novateur 

Le projet UPTEG propose de tester deux idées radicalement différentes à même de transformer le silicium, un des matériaux les plus abondants sur terre et dont la technologie est déjà extrêmement développée en un matériau thermoélectrique, phénomène qui permet à une matière de transformer un flux de chaleur en électricité en passant d’une source chaude à une source froide, ce qu’on nomme l’effet Seebeck. Cet effet permet de récupérer l'énergie perdue sous forme de chaleur lors des activités humaines. Or les activités humaines gaspillent en permanence 15 térawatts d’énergie sous forme de chaleur ce qui équivaut à 29% de la production française annuelle d’électricité qui pourraient ainsi être en théorie récupérées. Mais le problème des matériaux thermoélectriques aujourd’hui, c’est qu’ils sont peu efficaces et ne permettent de récupérer qu’une toute petite quantité d’énergie. A cela vient s’ajouter le fait que ces matériaux sont assez rares, couteux et très polluants comme le Bismuth (minerai). Actuellement, la thermoélectricité n’est utilisée que dans de très rares cas, quand il n’y a aucune autre source possible d’énergie, un exemple célèbre est celui des  satellites tels que les sondes Voyager.

Ainsi, Jean-François Robillard travaillera sur « de nouveaux matériaux et plus précisément sur la fabrication de matériaux vraiment innovants et efficaces qui permettront de proposer une énergie nouvelle, complémentaire, moins onéreuse et moins polluante que les précédentes énergies thermoélectriques et qui permettra d’offrir de l’électricité à des zones inaccessibles au réseau électrique de ville, ou encore dans des lieux pollués ou dangereux  (rayonnement nucléaire). Ces matériaux permettront de récupérer l’énergie partout où il existe un transfert (déperdition) de chaleur, que ce soit aussi bien sur le corps humain que sur des canalisations chaudes, ce qui permettra une utilisation extrêmement variée  », explique-t-il.

Deux pistes envisagées, un but : changer la nature du silicium

Pour faire un bon matériau thermoélectrique, un matériau doit posséder 3 propriétés fondamentales :

1-      Avoir un coefficient de Seebeck important, ce coefficient indique quelle tension électrique est générée pour 1 degré de différence de température

2-      Etre un bon conducteur de l’électricité

3-      Etre un mauvais conducteur de la chaleur (isolant thermique)

Première Piste

Le problème rencontré actuellement par les matériaux thermoélectriques existants est qu’il leur manque une des propriétés fondamentales, car les 3 sont difficilement compatibles, ce qui a pour conséquence de ne pas permettre une efficacité optimum de ces matériaux. A cela s’ajoute le fait qu’ils sont rares et dangereux. « Il fallait donc réfléchir à une nouvelle approche, à un nouveau matériau ; s’est alors imposé à nous le silicium qui n’est pas rare, pas cher, pas polluant et qui en plus a de bonnes propriétés électriques et un bon coefficient Seebek. Hélas pour nous, c’est un bon conducteur thermique, ce qui est notre problème. L’idée du projet est donc de réussir à réduire cette conductivité thermique pour amener le silicium à devenir un bon matériau thermoélectrique. Cela revient à changer la nature du silicium. Et pour y arriver nous allons explorer deux pistes. La première grâce à la nanotechnologie va nous permettre de faire des trous régulièrement disposés à l’échelle nanométrique dans une membrane de silicium pour en faire un cristal articifiel aux propriétés différentes. Notamment  la conduction  de la chaleur sera bloquée. Ainsi, en enlevant un peu de silicium suivant un schéma bien précis, on va réduire de 99% sa conductivité thermique. De plus, la membrane obtenue sera assez fine ce qui rendra le matériau flexible et le rendra adaptable à n’importe quelle surface », explique Jean-François Robillard.

Deuxième Piste

La deuxième idée sur laquelle l’équipe se penchera en parallèle, va encore plus loin et se veut plus radicale encore. Ainsi, une bonne façon de réduire la conductivité thermique du silicium serait de supprimer le matériau qui conduit la chaleur, cet exploit sera réalisé grâce à un convertisseur « thermionique » qui va travailler sous vide. Au contraire de la première idée qui est aujourd’hui abordée par quelques  labos étrangers, cette dernière sera une première basée sur la mise en pratique d’une théorie grâce aux moyens technologiques aujourd’hui réunis. L’enjeu n’en est donc que plus important et « si ce postulat fonctionne, nos calculs préliminaires montrent que ce sera extrêmement rentable en terme de rendement énergétique. Par cette méthode beaucoup plus ambitieuse, le matériau devrait récupérer 4 fois plus d’énergie que la première hypothèse ; donc si elle marche ce serait pour notre équipe un succès retentissant », affirme le chercheur de l’ISEN.

Un projet aux airs de développement durable

Les matériaux thermoélectriques usuels sont polluants, de plus en plus rares et difficilement compatibles avec les technologies standards de la microélectronique... Le silicium (que l’on trouve dans le sable !), quant à lui, est un des éléments les plus abondants sur terre, on ne risque donc pas d’en manquer et surtout, il n’est pas polluant. Donc l’utilisation de ce nouveau matériau va permettre d’offrir une énergie nouvelle complémentaire moins coûteuse et moins polluante que les précédentes énergies thermoélectriques ; ce qui va permettre de récupérer de l’énergie perdue ou de la recycler et ainsi préserver l’environnement.

Des enjeux financiers importants

Deux laboratoires dans le monde travaillent sur la première piste, il y a donc un enjeu économique qui vient se greffer à cette recherche et qui oblige l’équipe de Jean-François Robillard à trouver les premiers une solution au problème de bonne conductivité de chaleur du silicium pour pouvoir déposer en premier les brevets dont l’ISEN sera propriétaire. Par la suite, ces brevets pourront être vendus à l’industrie micro-électronique qui a la technologie de base compatible pour recréer à l’échelle de masse cette technique. Cette subvention marque l’engagement de l’Europe  dans la course à la compétitivité par la recherche.