Les progrès dans le domaine des circuits intégrés se mesurent par appariement, dépassement, ou en retard sur le taux établi par Gordon Moore, ancien PDG et co-fondateur d'Intel, qui a dit le nombre de composants électroniques, ou transistors, par circuit intégré doublerait chaque année. C'était il y a plus de 50 ans, et étonnamment sa prédiction, maintenant appelé la loi de Moore, est devenu réalité.

Dans les années récentes, on pensait que le rythme s'était ralenti; l'un des plus grands défis de mettre plus de circuits et de puissance sur une puce plus petite est la gestion de la chaleur.

Un groupe multidisciplinaire qui comprend Patrick E. Hopkins, professeur au Département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Virginie, et Will Dichtel, professeur au département de chimie de la Northwestern University, invente une nouvelle classe de matériaux avec le potentiel de garder les copeaux au frais alors qu'ils continuent de rétrécir en taille et d'aider la loi de Moore à rester vraie. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Matériaux naturels .

Les matériaux d'isolation électrique qui minimisent la diaphonie électrique dans les puces sont appelés diélectriques « low-k ». Ce type de matériau est le héros silencieux qui rend possible toute l'électronique en dirigeant le courant pour éliminer l'érosion et les interférences du signal; idéalement, il peut également éloigner des circuits la chaleur nocive causée par le courant électrique. Le problème de chaleur devient exponentiel à mesure que la puce devient plus petite car non seulement il y a plus de transistors dans une zone donnée, ce qui fait plus de chaleur dans cette même zone, ils sont plus proches, ce qui rend plus difficile la dissipation de la chaleur.

"Les scientifiques sont à la recherche d'un matériau diélectrique à faible k qui peut gérer les problèmes de transfert de chaleur et d'espace inhérents à des échelles beaucoup plus petites, " a déclaré Hopkins. " Bien que nous ayons parcouru un long chemin, de nouvelles percées n'auront tout simplement pas lieu si nous ne combinons pas les disciplines. Pour ce projet, nous avons utilisé la recherche et les principes de plusieurs domaines :génie mécanique, chimie, la science des matériaux, génie électrique - pour résoudre un problème vraiment difficile qu'aucun d'entre nous ne pourrait résoudre seul."

Hopkins est l'un des leaders de l'initiative d'intégration de matériaux multifonctionnels d'UVA Engineering, qui rassemble des chercheurs de plusieurs disciplines d'ingénierie pour formuler des matériaux avec un large éventail de fonctionnalités.

"Voir 'mon' problème à travers l'objectif de quelqu'un d'autre dans un domaine différent n'était pas seulement fascinant, cela a également suscité des idées qui ont finalement fait progresser. Je pense que nous avons tous eu cette expérience, " dit Ashutosh Giri, un ancien scientifique principal d'UVA Engineering et titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Hopkins, le co-premier auteur sur le Matériaux naturels papier et une mécanique, professeur assistant en ingénierie industrielle et des systèmes à l'Université de Rhode Island.

"Le cœur du projet était lorsque l'équipe chimique a réalisé la fonctionnalité thermique de leur matériau, comprendre une nouvelle dimension de leur travail, et quand l'équipe mécanique et matériaux a compris le niveau d'ingénierie moléculaire possible avec la chimie, " dit Giri.

"Nous prenons des feuilles de polymère qui n'ont qu'un atome d'épaisseur - nous appelons cela 2-D - et contrôlons leurs propriétés en superposant les feuilles dans une architecture spécifique, " dit Dichtel.

"Nos efforts pour améliorer les méthodes de production de films polymères 2D de haute qualité ont permis ce travail collaboratif."

L'équipe applique cette nouvelle classe de matériau pour tenter de répondre aux exigences de miniaturisation des transistors sur puce dense, dit Dichtel.

"Cela a un énorme potentiel d'utilisation dans l'industrie des semi-conducteurs, l'industrie qui fabrique des puces. Le matériau a à la fois une faible conductivité électrique, ou 'bas-k, ' et une capacité de transfert de chaleur élevée, " il a dit.

Cette combinaison de propriétés a récemment été identifiée par la feuille de route internationale pour les semi-conducteurs comme une condition préalable aux circuits intégrés de nouvelle génération.

« Pour ce projet, nous nous concentrons sur les propriétés thermiques de cette nouvelle classe de matériaux, ce qui est fantastique, mais ce qui est encore plus excitant, c'est que nous ne faisons qu'effleurer la surface, " a déclaré Austin Evans, un doctorat étudiant au laboratoire de Dichtel à Northwestern et premier co-auteur sur le Matériaux naturels papier. « Le développement de nouvelles classes de matériaux avec des combinaisons uniques de propriétés a un potentiel technologique incroyable.

« Nous explorons déjà cette nouvelle classe de matériaux pour de nombreuses applications, par exemple, détection chimique. Nous pouvons utiliser ces matériaux pour déterminer — « sens » — quels produits chimiques et quelle quantité de ces produits chimiques sont dans l'air. Cela a de vastes implications de portée. Par exemple, en connaissant les produits chimiques dans l'air, nous pouvons optimiser le stockage des aliments, transport, et la distribution pour réduire le gaspillage alimentaire mondial. Alors que nous continuons à explorer, nous sommes susceptibles de trouver encore plus de traits uniques à ces nouveaux matériaux, ", a déclaré Evans.