Si votre ordinateur portable ou votre téléphone portable commence à chauffer après avoir joué des heures à des jeux vidéo ou exécuté trop d'applications à la fois, ces appareils font réellement leur travail.

Il est essentiel d'évacuer la chaleur des circuits dans les entrailles d'un ordinateur vers l'environnement extérieur :des puces informatiques surchauffées peuvent ralentir ou geler les programmes, éteindre complètement l'appareil ou causer des dommages permanents.

Comme les consommateurs demandent plus petit, des appareils électroniques plus rapides et plus puissants qui consomment plus de courant et génèrent plus de chaleur, la question de la gestion de la chaleur atteint un goulot d'étranglement. Avec la technologie actuelle, il y a une limite à la quantité de chaleur qui peut être dissipée de l'intérieur vers l'extérieur.

Des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas et leurs collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et de l'Université de Houston ont créé une solution potentielle, décrit dans une étude publiée en ligne le 5 juillet dans la revue Science .

Bing Lv (prononcé "amour"), professeur adjoint de physique à l'École des sciences naturelles et mathématiques de l'UT Dallas, et ses collègues ont produit des cristaux d'un matériau semi-conducteur appelé arséniure de bore qui ont une conductivité thermique extrêmement élevée, une propriété qui décrit la capacité d'un matériau à transporter la chaleur.

« La gestion de la chaleur est très importante pour les industries qui dépendent des puces informatiques et des transistors, " dit Lv, un auteur correspondant de l'étude. "Pour les hautes puissances, petite électronique, nous ne pouvons pas utiliser le métal pour dissiper la chaleur car le métal peut provoquer un court-circuit. Nous ne pouvons pas utiliser de ventilateurs de refroidissement car ceux-ci prennent de la place. Ce dont nous avons besoin, c'est d'un semi-conducteur peu coûteux qui disperse également beaucoup de chaleur."

La plupart des puces informatiques d'aujourd'hui sont constituées de l'élément silicium, un matériau semi-conducteur cristallin qui fait un travail adéquat de dissipation de la chaleur. Mais le silicium, en combinaison avec d'autres technologies de refroidissement intégrées aux appareils, ne peut gérer que tant de choses.

Le diamant a la conductivité thermique connue la plus élevée, environ 2, 200 watts par mètre-kelvin, contre environ 150 watts par mètre-kelvin pour le silicium. Bien que le diamant ait été incorporé occasionnellement dans des applications exigeantes de dissipation thermique, le coût des diamants naturels et les défauts structurels des films de diamant artificiels rendent le matériau peu pratique pour une utilisation généralisée en électronique, dit Lv.

En 2013, des chercheurs du Boston College et du Naval Research Laboratory ont publié des recherches qui ont prédit que l'arséniure de bore pourrait potentiellement fonctionner aussi bien que le diamant en tant que dissipateur de chaleur. En 2015, Lv et ses collègues de l'Université de Houston ont réussi à produire de tels cristaux d'arséniure de bore, mais le matériau avait une conductivité thermique assez faible, environ 200 watts par mètre-kelvin.

Depuis, Le travail de Lv à l'UT Dallas s'est concentré sur l'optimisation du processus de croissance du cristal pour améliorer les performances du matériau.

« Nous travaillons sur cette recherche depuis trois ans, et ont maintenant obtenu la conductivité thermique jusqu'à environ 1, 000 watts par mètre-kelvin, qui est juste derrière le diamant dans les matériaux en vrac, " dit Lv.

Lv a travaillé avec l'associé de recherche postdoctoral Sheng Li, co-auteur principal de l'étude, et doctorant en physique Xiaoyuan Liu, également auteur de l'étude, pour créer les cristaux à haute conductivité thermique à l'UT Dallas en utilisant une technique appelée transport de vapeur chimique. Les matières premières, les éléments bore et arsenic, sont placées dans une chambre chaude d'un côté et froide de l'autre. A l'intérieur de la chambre, un autre produit chimique transporte le bore et l'arsenic de l'extrémité chaude à l'extrémité plus froide, où les éléments se combinent pour former des cristaux.

"Pour passer de nos résultats précédents de 200 watts par mètre-kelvin à 1, 000 watts par mètre-kelvin, nous devions ajuster de nombreux paramètres, y compris les matières premières avec lesquelles nous avons commencé, la température et la pression de la chambre, même le type de tube que nous avons utilisé et la façon dont nous avons nettoyé l'équipement, " dit Lv.

Les groupes de recherche de David Cahill et Pinshane Huang à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont joué un rôle clé dans les travaux en cours, étudier les défauts des cristaux d'arséniure de bore par microscopie électronique de pointe et mesurer la conductivité thermique des très petits cristaux produits à l'UT Dallas.

"Nous mesurons la conductivité thermique à l'aide d'une méthode développée dans l'Illinois au cours des douze dernières années appelée" thermoréflectance dans le domaine temporel "ou TDTR, " dit Cahill, professeur et chef du Département de science et génie des matériaux et auteur correspondant de l'étude. « TDTR nous permet de mesurer la conductivité thermique de presque tous les matériaux dans un large éventail de conditions et a été essentiel pour le succès de ce travail. »

La façon dont la chaleur est dissipée dans l'arséniure de bore et d'autres cristaux est liée aux vibrations du matériau. Pendant que le cristal vibre, le mouvement crée des paquets d'énergie appelés phonons, qui peuvent être considérées comme des quasi-particules transportant de la chaleur. Lv a déclaré que les caractéristiques uniques des cristaux d'arséniure de bore, y compris la différence de masse entre les atomes de bore et d'arsenic, contribuent à la capacité des phonons à s'éloigner plus efficacement des cristaux.

"Je pense que l'arséniure de bore a un grand potentiel pour l'avenir de l'électronique, " Lv a déclaré. "Ses propriétés semi-conductrices sont très comparables au silicium, c'est pourquoi il serait idéal d'incorporer de l'arséniure de bore dans des dispositifs semi-conducteurs."

Lv a déclaré que même si l'élément arsenic en lui-même peut être toxique pour les humains, une fois incorporé dans un composé comme l'arséniure de bore, le matériau devient très stable et non toxique.

La prochaine étape du travail consistera à essayer d'autres procédés pour améliorer la croissance et les propriétés de ce matériau pour des applications à grande échelle, dit Lv.