Les appareils électroniques développent souvent des « points chauds » qui peuvent nuire aux performances. De nombreuses recherches se sont concentrées sur le développement de méthodes pour refroidir le système, ou, encore mieux, convertir l'excès de chaleur en électricité en exploitant l'effet thermoélectrique - où un gradient thermique induit le mouvement des porteurs de charge. Cependant, les tentatives précédentes de construction de générateurs au niveau de la puce ont échoué car les matériaux incorporés n'étaient pas compatibles avec la technologie utilisée pour la construction de circuits intégrés, tels que les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS).

Navab Singh et ses collègues de l'A*STAR Institute of Microelectronics et de l'Université nationale de Singapour1 ont maintenant créé un générateur thermoélectrique à l'échelle nanométrique (TEG) utilisant des réseaux de nanofils de silicium. Silicium, qui est compatible avec les matériaux de base en CMOS, avait auparavant été actualisé en raison de ses faibles performances en tant que générateur en vrac, mais il s'est avéré beaucoup plus efficace à l'échelle nanométrique.

« Les nanofils de silicium ont de bien meilleures propriétés thermoélectriques que le matériau parent, car ils ont une conductivité thermique beaucoup plus faible, », explique Singh. « Aussi, des équipements de pointe sont déjà disponibles pour le traitement du silicium. Par conséquent, si les refroidisseurs thermoélectriques et les récupérateurs d'énergie peuvent être fabriqués à l'aide de nanofils de silicium, ils peuvent être bon marché, évolutif, appareils à haut rendement.

Les chercheurs ont construit leur TEG en connectant ensemble deux plaques métalliques différentes à l'aide de pattes verticales constituées de grappes alternées de nanofils de silicium de type n, dans lequel les électrons en excès portent la charge, et des nanofils de type p, dans lequel les porteurs de charge sont des « trous » causés par des électrons manquants (voir image). Selon Singh, le plus grand défi consistait à connecter les nanofils aux plaques métalliques pour permettre un contact à faible résistivité et fournir des performances thermoélectriques optimales. Faire cela, ils ont adapté des techniques établies de fabrication CMOS. « Cependant, la résistance de contact élevée sur les sommets des fils reste un problème et notre conception doit encore être améliorée, ", dit Singh.

En tant que générateur électrique, un TEG pourrait être utilisé pour « auto-alimenter » une section d'un circuit électronique. « Plus loin, ils peuvent être utilisés pour générer de l'énergie et compléter les batteries dans la plupart des systèmes à flux thermique élevé comme les automobiles, lasers à semi-conducteurs et photodétecteurs, », suggère Singh. Ils pourraient également fournir une solution efficace, système de refroidissement à faible coût pour éliminer les points chauds.

Singh pense que les TEG à l'échelle nanométrique pourraient également être utilisés en science médicale pour alimenter des implants dans le corps humain :« Un générateur d'énergie thermoélectrique à nanofils fait parfaitement l'affaire. Ils peuvent être mis à l'échelle à la taille appropriée et puisqu'ils manquent de pièces mobiles, ils sont fiables et peuvent s'étendre sur toute la vie du patient. L'énergie pourrait alors être extraite en utilisant le gradient de température entre le corps et l'environnement.