Le contrôle du flux de chaleur à travers les matériaux semi-conducteurs est un défi important dans le développement de puces informatiques plus petites et plus rapides, panneaux solaires performants, et de meilleurs lasers et dispositifs biomédicaux.

Pour la première fois, une équipe internationale de scientifiques dirigée par un chercheur de l'Université de Californie, Riverside a modifié le spectre d'énergie des phonons acoustiques — excitations élémentaires, également appelées quasi-particules, qui diffusent la chaleur à travers les matériaux cristallins comme une onde, en les confinant dans des structures semi-conductrices à l'échelle nanométrique. Les résultats ont des implications importantes dans la gestion thermique des appareils électroniques.

Dirigé par Alexandre Balandin, Professeur émérite de génie électrique et informatique et professeur titulaire de la chaire présidentielle de l'UC au Bourns College of Engineering de l'UCR, la recherche est décrite dans un article publié jeudi, 10 novembre dans la revue Communication Nature . L'article s'intitule « Observation directe de branches de polarisation de phonons acoustiques confinées dans des nanofils autonomes ».

L'équipe a utilisé des nanofils semi-conducteurs à partir d'arséniure de gallium (GaAs), synthétisé par des chercheurs en Finlande, et une technique d'imagerie appelée spectroscopie de diffusion de la lumière Brillouin-Mandelstam (BMS) pour étudier le mouvement des phonons à travers les nanostructures cristallines. En modifiant la taille et la forme des nanostructures de GaAs, les chercheurs ont pu modifier le spectre d'énergie, ou dispersion, de phonons acoustiques. L'instrument BMS utilisé pour cette étude a été construit au Phonon Optimized Engineered Materials (POEM) Center de l'UCR, qui est dirigé par Balandin.

Le contrôle de la dispersion des phonons est crucial pour améliorer l'élimination de la chaleur des dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique, qui est devenu le principal obstacle pour permettre aux ingénieurs de continuer à réduire leur taille. Il peut également être utilisé pour améliorer l'efficacité de la production d'énergie thermoélectrique, dit Balandin. Dans ce cas, la diminution de la conductivité thermique par les phonons est bénéfique pour les dispositifs thermoélectriques qui génèrent de l'énergie en appliquant un gradient de température aux semi-conducteurs.

"Pendant des années, la seule méthode envisagée pour modifier la conductivité thermique des nanostructures était la diffusion acoustique des phonons avec les limites et les interfaces des nanostructures. Nous avons démontré expérimentalement qu'en confinant spatialement des phonons acoustiques dans des nanofils, on peut modifier leur vitesse, et la façon dont ils interagissent avec les électrons, magnons, et comment ils transportent la chaleur. Notre travail crée de nouvelles opportunités pour le réglage des propriétés thermiques et électroniques des matériaux semi-conducteurs, ", a déclaré Balandin.