Un physicien de l'Université du Texas à Dallas s'est associé à Texas Instruments Inc. pour concevoir un meilleur moyen pour l'électronique de convertir la chaleur résiduelle en énergie réutilisable.

Le projet collaboratif a démontré que la capacité du silicium à récupérer de l'énergie à partir de la chaleur peut être considérablement augmentée tout en restant productible en masse.

Dr Mark Lee, professeur et chef du Département de physique de la Faculté des sciences naturelles et mathématiques, est l'auteur correspondant d'une étude publiée le 15 juillet dans Nature Électronique qui décrit les résultats. Les résultats pourraient grandement influencer la façon dont les circuits sont refroidis dans l'électronique, ainsi que fournir une méthode d'alimentation des capteurs utilisés dans l'Internet des objets en pleine croissance.

"Les capteurs vont partout maintenant. Ils ne peuvent pas être branchés en permanence, ils doivent donc consommer très peu d'énergie, " Lee a dit. " Sans une source de lumière fiable pour l'énergie photovoltaïque, vous avez besoin d'une sorte de batterie, une qui ne devrait pas avoir à être remplacée."

La production thermoélectrique est une source d'énergie très verte, convertir une différence de température en énergie électrique.

« D'une manière générale, la chaleur perdue est partout :la chaleur que génère le moteur de votre voiture, par exemple, " Lee a dit. "Cette chaleur se dissipe normalement. Si vous avez une différence de température constante, même minime, alors vous pouvez récupérer de la chaleur en électricité pour faire fonctionner vos appareils électroniques. »

Les capteurs intégrés sous un carrefour offrent un exemple d'alimentation thermoélectrique pratique.

« La chaleur du frottement des pneus et de la lumière du soleil peut être récupérée car le matériau sous la route est plus froid, " Lee a déclaré. "Donc, personne n'a à déterrer ça pour changer une batterie."

Les principaux obstacles à la récolte thermoélectrique généralisée ont été l'efficacité et le coût, il a dit.

« La production thermoélectrique a coûté cher, à la fois en termes de coût par appareil et de coût par watt d'énergie généré, " Lee a déclaré. "Les meilleurs matériaux sont assez exotiques - ils sont soit rares, soit toxiques - et ils ne sont pas facilement compatibles avec la technologie des semi-conducteurs de base."

Silicium, sur laquelle repose tant de technologie, est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Il est connu depuis les années 1950 pour être un mauvais matériau thermoélectrique dans sa masse, forme cristalline. Mais en 2008, de nouvelles recherches ont indiqué que le silicium fonctionnait bien mieux en tant que nanofil, une forme en forme de filament avec deux de ses trois dimensions inférieures à 100 nanomètres. En comparaison, une feuille de papier vaut environ 100, 000 nanomètres d'épaisseur.

"Au cours de la décennie qui a suivi ces expériences, cependant, les efforts pour fabriquer un générateur thermoélectrique au silicium utile n'ont pas réussi, " dit Lee.

Un obstacle est que le nanofil est trop petit pour être compatible avec les processus de fabrication de puces. Pour surmonter cela, Lee et son équipe se sont appuyés sur des « nanolames »—seulement 80 nanomètres d'épaisseur mais plus de huit fois cette largeur. Bien que ce soit encore beaucoup plus fin qu'une feuille de papier, il est compatible avec les règles de fabrication des puces.

Co-auteur de l'étude Hal Edwards, un boursier TI à Texas Instruments, concevoir et superviser la fabrication des prototypes d'appareils. Il s'est tourné vers Lee et UT Dallas pour étudier plus avant ce que les appareils pouvaient faire.

"Une plongée profonde pour ces nouvelles mesures, une analyse détaillée et des comparaisons bibliographiques nécessitent un groupe universitaire, " a déclaré Edwards. " L'analyse du professeur Lee a identifié des paramètres clés dans lesquels notre technologie de silicium à faible coût rivalise favorablement avec des semi-conducteurs composés plus exotiques. "

Lee a expliqué que la forme de la nanolame perd une certaine capacité thermoélectrique par rapport au nanofil.

"Toutefois, en utiliser plusieurs à la fois peut générer à peu près autant de puissance que les meilleurs matériaux exotiques, avec la même surface et la même différence de température, " il a dit.

La solution de conception de circuits de l'équipe combinait une compréhension de la physique à l'échelle nanométrique avec des principes d'ingénierie. L'une des principales réalisations était que certaines tentatives précédentes avaient échoué parce que trop de matériel avait été utilisé.

"Lorsque vous utilisez trop de silicium, le différentiel de température qui alimente la génération baisse, " Lee a dit. " Trop de chaleur perdue est utilisée, et, à mesure que la marge du chaud au froid diminue, vous ne pouvez pas générer autant d'énergie thermoélectrique.

"Il y a un endroit doux qui, avec nos nanolames, nous sommes beaucoup plus près de trouver que quiconque. Le changement de forme du silicium étudié a changé la donne, " il ajouta.

Lee a déclaré que la technologie avancée de traitement du silicium de Texas Instruments permet une utilisation efficace, fabrication bon marché d'un grand nombre d'appareils.

« Vous pouvez vivre avec une réduction de 40 % de la capacité thermoélectrique par rapport aux matériaux exotiques, car votre coût par watt généré chute, ", a-t-il déclaré. "Le coût marginal est un facteur 100 inférieur."

Gangyi Hu Ph.D.'19, qui a terminé son doctorat en physique à l'UT Dallas en mai, est l'auteur principal de l'étude. Il a produit la modélisation informatique pour déterminer le nombre de nanolames par unité de surface qui produiront le plus d'énergie sans réduire la différence de température.

« Nous avons optimisé la configuration de nos appareils pour les placer parmi les générateurs thermoélectriques les plus performants au monde, " dit Hu. "Parce que c'est du silicium, ça reste low cost, facile à installer, sans entretien, durable et potentiellement biodégradable."

Lee a déclaré que le travail était également nouveau car ils utilisaient une ligne de fabrication industrielle automatisée pour fabriquer les générateurs thermoélectriques à circuit intégré en silicium.

"Nous voulons intégrer cette technologie à un microprocesseur, avec un capteur sur la même puce, avec un amplificateur ou une radio, etc. Notre travail a été effectué dans le contexte de cet ensemble complet de règles qui régissent tout ce qui entre dans la fabrication de puces de masse, " dit Lee. " Chez Texas Instruments, c'est la différence entre une technologie qu'ils peuvent utiliser et une qu'ils ne peuvent pas."

Edwards s'est porté garant des multiples avantages de collaborer avec UT Dallas, y compris le recrutement.

"Je trouve mes collaborations avec le groupe du professeur Lee très précieuses, " a déclaré Edwards. " J'apprécie également l'opportunité de bien connaître les étudiants, afin que je puisse les aider à trouver des rôles au sein de TI. L'un de mes proches collègues de TI était titulaire d'un doctorat du professeur Lee. étudiant lors d'une de nos précédentes collaborations."