​Pour optimiser un effet thermoélectrique, il faut un matériau conducteur de l'électricité mais isolant thermique. Est-il possible de concilier ces deux propriétés a priori antagonistes ? La conductivité thermique est en réalité liée pour partie à la conduction électrique et pour partie aux vibrations du réseau cristallin (ou phonons). Or un moyen très efficace pour agir sur la diffusion des phonons consiste à nano-structurer le matériau ou à augmenter la densité de défauts, par exemple en diminuant la taille des grains cristallographiques (ce qui augmente aussi la densité des joints de grain).

Par des calculs ab initio et des méthodes avancées de résolution de l'équation de transport de Boltzmann, des physiciens de l'Iramis ont simulé en variant la température plusieurs configurations de films minces,  nanofils ou structures poly-cristallines de bismuth pur. Ils ont ainsi pu décrire très précisément, à l'échelle atomique, les transports de chaleur, en particulier le rôle d'interactions entre différents types de phonons, et quantifier la contribution électronique à la conductivité thermique.

La dépendance en température de la conductivité thermique qu'ils ont calculée est en excellent accord avec les données expérimentales disponibles. La réduction la plus importante de transport de chaleur est obtenue pour des polycristaux avec des tailles de grains inférieures à cent nanomètres. Une réduction similaire de conductivité thermique est également prédite pour une structure en film mince monocristallin.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec les Universités Pierre et Marie Curie et La Sapienza (Rome).