Les puces informatiques d'aujourd'hui contiennent des milliards de minuscules transistors sur une plaque de silicium de la largeur d'un ongle. Chaque transistor, quelques dizaines de nanomètres de large, agit comme un interrupteur qui, de concert avec d'autres, effectue les calculs d'un ordinateur. Alors que des forêts denses de transistors signalent des allers-retours, ils dégagent de la chaleur, ce qui peut faire frire l'électronique, si une puce devient trop chaude.

Les fabricants appliquent généralement une théorie de diffusion classique pour évaluer l'élévation de température d'un transistor dans une puce informatique. Mais maintenant, une expérience menée par des ingénieurs du MIT suggère que cette théorie commune ne tient pas à des échelles de longueur extrêmement petites. Les résultats du groupe indiquent que la théorie de la diffusion sous-estime l'élévation de température des sources de chaleur à l'échelle nanométrique, comme les transistors d'une puce informatique. Une telle erreur de calcul pourrait affecter la fiabilité et les performances des puces et autres dispositifs microélectroniques.

"Nous avons vérifié que lorsque la source de chaleur est très petite, vous ne pouvez pas utiliser la théorie de la diffusion pour calculer l'échauffement d'un appareil. L'élévation de température est supérieure à la prévision de diffusion, et en microélectronique, vous ne voulez pas que cela se produise, " dit le professeur Gang Chen, chef du département de génie mécanique au MIT. "Cela pourrait donc changer la façon dont les gens pensent à la modélisation des problèmes thermiques en microélectronique."

Le groupe, y compris l'étudiant diplômé Lingping Zeng et le professeur de l'Institut Mildred Dresselhaus du MIT, Yongjie Hu de l'Université de Californie à Los Angeles, et Austin Minnich de Caltech, a publié ses résultats cette semaine dans la revue Nature Nanotechnologie .

Phonon signifie libre parcours

Chen et ses collègues sont arrivés à leur conclusion après avoir conçu une expérience pour mesurer la distribution du « libre parcours moyen » des caloporteurs dans un matériau. Dans les semi-conducteurs et les diélectriques, la chaleur circule généralement sous la forme de phonons, des particules en forme d'onde qui transportent la chaleur à travers un matériau et subissent diverses diffusions au cours de leur propagation. Le libre parcours moyen d'un phonon est la distance à laquelle un phonon peut transporter de la chaleur avant d'entrer en collision avec une autre particule; plus le libre parcours moyen d'un phonon est long, mieux il est capable de porter, ou conduite, Chauffer.

Comme le libre parcours moyen peut varier d'un phonon à l'autre dans un matériau donné - de quelques nanomètres à quelques microns - le matériau présente une distribution moyenne de libre parcours, ou gamme. Chen, le professeur Carl Richard Soderberg en ingénierie électrique au MIT, a estimé que la mesure de cette distribution fournirait une image plus détaillée de la capacité de transport de chaleur d'un matériau, permettre aux chercheurs de concevoir des matériaux, par exemple, en utilisant des nanostructures pour limiter la distance parcourue par les phonons.

Le groupe a cherché à établir un cadre et un outil pour mesurer la distribution moyenne du libre parcours dans un certain nombre de matériaux technologiquement intéressants. Il existe deux régimes de transport thermique :le régime diffusif et le régime quasi-balistique. Le premier renvoie la conductivité thermique globale, ce qui masque l'importante distribution moyenne de libre parcours. Pour étudier les libres parcours moyens des phonons, les chercheurs ont réalisé qu'ils auraient besoin d'une petite source de chaleur par rapport au libre parcours moyen des phonons pour accéder au régime quasi balistique, car des sources de chaleur plus importantes masqueraient essentiellement les effets des phonons individuels.

La création de sources de chaleur à l'échelle nanométrique était un défi de taille :les lasers ne peuvent être focalisés que sur un point de la taille de la longueur d'onde de la lumière, environ un micron, soit plus de 10 fois la longueur du libre parcours moyen de certains phonons. Pour concentrer l'énergie de la lumière laser sur une zone encore plus fine, l'équipe a modelé des points en aluminium de différentes tailles, de quelques dizaines de micromètres à 30 nanomètres, à travers la surface du silicium, alliage de germanium de silicium, arséniure de gallium, nitrure de gallium, et saphir. Chaque point absorbe et concentre la chaleur d'un laser, qui traverse ensuite le matériau sous-jacent sous forme de phonons.

Dans leurs expériences, Chen et ses collègues ont utilisé la microfabrication pour faire varier la taille des points en aluminium, et mesuré la décroissance d'un laser pulsé réfléchi par le matériau - une mesure indirecte de la propagation de la chaleur dans le matériau. Ils ont constaté qu'à mesure que la taille de la source de chaleur diminue, l'élévation de température s'écarte de la théorie de la diffusion.

Ils interprètent cela comme des points métalliques, qui sont des sources de chaleur, Deviens plus petit, les phonons quittant les points ont tendance à devenir "balistiques, " tirant à travers le matériau sous-jacent sans dispersion. Dans ces cas, de tels phonons ne contribuent pas beaucoup à la conductivité thermique d'un matériau. Mais pour des sources de chaleur beaucoup plus grandes agissant sur le même matériau, les phonons ont tendance à entrer en collision avec d'autres phonons et à se disperser plus souvent. Dans ces cas, la théorie de la diffusion actuellement utilisée devient valide.

Une photo détaillée des transports

Pour chaque matériau, les chercheurs ont tracé une distribution des libres parcours moyens, reconstruit à partir de la conductivité thermique d'un matériau en fonction de la taille de l'élément chauffant. Globalement, ils ont observé la nouvelle image anticipée de la conduction thermique :alors que le commun, la théorie de la diffusion classique est applicable aux grandes sources de chaleur, il échoue pour les petites sources de chaleur. En faisant varier la taille des sources de chaleur, Chen et ses collègues peuvent déterminer la distance parcourue par les phonons entre les collisions, et combien ils contribuent à la conduction thermique.

Zeng dit que la configuration expérimentale du groupe peut être utilisée pour mieux comprendre, et éventuellement régler, conductivité thermique d'un matériau. Par exemple, si un ingénieur désire un matériau avec certaines propriétés thermiques, la distribution moyenne du libre parcours pourrait servir de modèle pour concevoir des "centres de diffusion" spécifiques dans le matériau - des emplacements qui provoquent des collisions de phonons, à son tour diffusion de la propagation de la chaleur, conduisant à une capacité de transport de chaleur réduite. Bien que de tels effets ne soient pas souhaitables pour garder une puce informatique au frais, ils conviennent aux appareils thermoélectriques, qui convertissent la chaleur en électricité. Pour de telles applications, des matériaux électriquement conducteurs mais thermiquement isolants sont recherchés.

« L'important, c'est nous avons un outil de spectroscopie pour mesurer la distribution moyenne du libre parcours, et que la distribution est importante pour de nombreuses applications technologiques, " dit Zeng.