Avec la première observation d'effets thermoélectriques aux contacts de graphène, Des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont découvert que les transistors au graphène ont un effet de refroidissement à l'échelle nanométrique qui réduit leur température.

Dirigé par le professeur de sciences mécaniques et de génie William King et le professeur de génie électrique et informatique Eric Pop, l'équipe publiera ses conclusions dans l'édition en ligne anticipée du 3 avril de la revue Nature Nanotechnologie .

La vitesse et la taille des puces informatiques sont limitées par la quantité de chaleur qu'elles dissipent. Toute l'électronique dissipe la chaleur en raison de la collision des électrons du courant avec le matériau de l'appareil, un phénomène appelé chauffage résistif. Cet échauffement l'emporte sur d'autres effets thermoélectriques plus petits qui peuvent refroidir localement un appareil. Les ordinateurs équipés de puces en silicium utilisent des ventilateurs ou de l'eau courante pour refroidir les transistors, un processus qui consomme une grande partie de l'énergie nécessaire pour alimenter un appareil.

Les futures puces informatiques en graphène – des feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur – pourraient être plus rapides que les puces en silicium et fonctionner à plus faible puissance. Cependant, une compréhension approfondie de la génération et de la distribution de chaleur dans les dispositifs en graphène a échappé aux chercheurs en raison des dimensions minuscules impliquées.

L'équipe de l'Illinois a utilisé une pointe de microscope à force atomique comme sonde de température pour effectuer les premières mesures de température à l'échelle nanométrique d'un transistor en graphène fonctionnel. Les mesures ont révélé des phénomènes de température surprenants aux points où le transistor au graphène touche les connexions métalliques. Ils ont découvert que les effets de refroidissement thermoélectrique peuvent être plus forts aux contacts de graphène que le chauffage résistif, en fait abaisser la température du transistor.

"Dans le silicium et la plupart des matériaux, le chauffage électronique est beaucoup plus grand que le
auto-refroidissant, " dit le roi. " Cependant, nous avons trouvé que dans ces transistors au graphène, il existe des régions où le refroidissement thermoélectrique peut être plus important que le chauffage résistif, ce qui permet à ces appareils de se refroidir. Cet auto-refroidissement n'avait pas été observé auparavant pour les appareils au graphène. »

Cet effet d'auto-refroidissement signifie que l'électronique à base de graphène pourrait nécessiter peu ou pas de refroidissement, engendrant une efficacité énergétique encore plus grande et augmentant l'attractivité du graphène en tant que remplacement du silicium.

« L'électronique au graphène en est encore à ses balbutiements ; cependant, nos mesures et simulations prévoient que les effets thermoélectriques s'amélioreront à mesure que la technologie des transistors au graphène et les contacts s'amélioreront ", a déclaré Pop, qui est également affilié au Beckman Institute for Advanced Science, et le Laboratoire de micro et nanotechnologie de l'U. of I.

Prochain, les chercheurs prévoient d'utiliser la sonde de température AFM pour étudier le chauffage et le refroidissement dans les nanotubes de carbone et autres nanomatériaux.