Jaeho Lee, Professeur assistant UCI en génie mécanique et aérospatial, estime que le silicium troué – un matériau de micropuce gravé verticalement avec des orifices à l'échelle nanométrique – pourrait être une percée dans la quête pour garder l'électronique moderne au frais. Crédit :Steve Zylius / UCI 
Des scientifiques de l'Université de Californie, Irvine a récemment fait une percée en vérifiant une nouvelle configuration matérielle pour faciliter le refroidissement. Dans une étude de la revue Nanotechnologie , les membres du groupe de recherche sur l'énergie nanothermique de l'UCI mettent en évidence les attributs du silicium troué, une plaquette de puce informatique avec de minuscules, orifices gravés verticalement qui fonctionnent pour transporter la chaleur vers les emplacements souhaités.
"Nous avons découvert que la chaleur préfère voyager verticalement à travers mais pas latéralement à travers le silicium troué, ce qui signifie que le matériau peut efficacement déplacer la chaleur des points chauds locaux vers les systèmes de refroidissement sur puce dans le sens vertical tout en maintenant le gradient de température nécessaire pour les jonctions thermoélectriques dans le sens latéral, " a déclaré l'auteur correspondant Jaeho Lee, Professeur assistant de génie mécanique et aérospatial à l'UCI.
"Cette innovation pourrait potentiellement être idéale pour garder les appareils électroniques tels que les smartphones au frais pendant le fonctionnement, " a déclaré l'auteur principal Zongqing Ren, un étudiant-chercheur diplômé de l'INTERG.
Il a déclaré que les simulations en laboratoire ont démontré que l'efficacité de refroidissement du silicium troué est au moins 400 pour cent meilleure que celle des chalcogénures, composés couramment utilisés dans les dispositifs de refroidissement thermoélectriques.
La recherche sur le silicium troué du laboratoire fait suite à une étude publiée dans Communication Nature début 2017 où Lee, en tant qu'auteur principal, et ses collaborateurs basés à l'UC Berkeley ont utilisé un matériau de maille de silicium à l'échelle nanométrique pour étudier les propriétés des phonons, quasiparticules qui donnent aux scientifiques un aperçu des mécanismes de transport thermique.
« Nous savons que les phonons peuvent présenter un comportement semblable à celui des ondes et des particules pendant le transport thermique, " Lee a déclaré. "En utilisant des mailles avec différentes tailles et espacements de trous, nous avons pu clarifier des mécanismes de transport thermique complexes à l'échelle nanométrique."
Les connaissances acquises lors de l'étude précédente ont aidé son équipe à comprendre à quel point les structures en forme de cou créées par les trous gravés dans le silicium troué provoquent une rétrodiffusion des phonons, un effet de particules conduisant à une faible conductivité thermique dans le plan. Une conductivité thermique élevée dans le plan croisé a été causée par des phonons à grande longueur d'onde qui aident à évacuer la chaleur.
Lee a déclaré que le problème de température dans l'électronique s'est accru au cours des dernières années, car les concepteurs de puces électroniques semblent avoir atteint une limite de taille. Avec des composants plus gros, les fabricants peuvent utiliser des dissipateurs thermiques, des ailerons et même des ventilateurs pour évacuer la chaleur du matériel critique. Sur les puces densément emballées d'aujourd'hui avec des milliards de transistors nanométriques - souvent pris en sandwich dans des produits de consommation de poche – il n'y a pas de place pour de telles technologies de refroidissement.
D'autres problèmes clés sont la longévité et la fiabilité. Les puces à semi-conducteurs sont intégrées dans de nombreux nouveaux endroits, agissant comme des capteurs et des actionneurs dans les voitures et les appareils électroménagers et comme des nœuds le long de l'Internet des objets. Ces appareils devraient fonctionner en continu pendant des années, voire des décennies. Une exposition prolongée à la chaleur pourrait entraîner la défaillance d'une telle infrastructure.
"D'une part, la nanotechnologie a ouvert un tout nouveau monde de possibilités, mais de l'autre, cela a créé une foule de défis, " Lee a déclaré. "Il est important que nous continuions à développer une meilleure compréhension des principes fondamentaux du transport thermique et à trouver des moyens de contrôler le transfert de chaleur à l'échelle nanométrique."
