La mise en sandwich des matériaux bidimensionnels utilisés dans les dispositifs nanoélectroniques entre leurs bases de silicium tridimensionnelles et une couche ultrafine d'oxyde d'aluminium peut réduire considérablement le risque de défaillance des composants due à une surchauffe, selon une nouvelle étude publiée dans la revue Matériaux avancés dirigé par des chercheurs de l'Université de l'Illinois au Chicago College of Engineering.

De nombreux composants électroniques actuels à base de silicium contiennent des matériaux 2D tels que le graphène. L'incorporation de matériaux 2D comme le graphène - qui est composé d'une couche d'atomes de carbone d'une seule épaisseur d'un atome - dans ces composants leur permet d'être plusieurs ordres de grandeur plus petits que s'ils étaient fabriqués avec des matériaux conventionnels, Matériaux 3D. En outre, Les matériaux 2D permettent également d'autres fonctionnalités uniques. Mais les composants nanoélectroniques avec des matériaux 2D ont un talon d'Achille :ils sont sujets à la surchauffe. Cela est dû à la mauvaise conductance thermique des matériaux 2-D à la base de silicium.

« Dans le domaine de la nanoélectronique, la mauvaise dissipation thermique des matériaux 2D a été un goulot d'étranglement pour réaliser pleinement leur potentiel en permettant la fabrication d'électronique de plus en plus petite tout en maintenant la fonctionnalité, " dit Amin Salehi-Khojin, professeur agrégé de génie mécanique et industriel au Collège d'ingénierie de l'UIC.

L'une des raisons pour lesquelles les matériaux 2D ne peuvent pas transférer efficacement la chaleur au silicium est que les interactions entre les matériaux 2D et le silicium dans des composants tels que les transistors sont plutôt faibles.

"Les liens entre les matériaux 2-D et le substrat de silicium ne sont pas très forts, Ainsi, lorsque la chaleur s'accumule dans le matériau 2D, il crée des points chauds provoquant une surchauffe et une panne de l'appareil, " a expliqué Zahra Hemmat, un étudiant diplômé de l'UIC College of Engineering et co-premier auteur de l'article.

Afin d'améliorer la connexion entre le matériau 2-D et la base de silicium pour améliorer la conductance thermique du matériau 2-D dans le silicium, les ingénieurs ont expérimenté l'ajout d'une couche de matériau ultra-mince supplémentaire au-dessus de la couche 2D, créant ainsi un "nano-sandwich" avec la base de silicium et le matériau ultra-mince comme "pain".

"En ajoutant une autre couche" d'encapsulation "au-dessus du matériau 2D, nous avons pu doubler le transfert d'énergie entre le matériau 2D et la base silicium, " a déclaré Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin et ses collègues ont créé un transistor expérimental utilisant de l'oxyde de silicium pour la base, carbure pour le matériau 2-D et oxyde d'aluminium pour le matériau d'encapsulation. À température ambiante, les chercheurs ont constaté que la conductance de la chaleur du carbure à la base de silicium était deux fois plus élevée avec l'ajout de la couche d'oxyde d'aluminium que sans celle-ci.

"Alors que notre transistor est un modèle expérimental, cela prouve qu'en ajoutant un supplément, couche d'encapsulation à ces nanoélectronique 2-D, nous pouvons augmenter considérablement le transfert de chaleur à la base de silicium, ce qui contribuera grandement à préserver la fonctionnalité de ces composants en réduisant la probabilité qu'ils brûlent, ", a déclaré Salehi-Khojin. "Nos prochaines étapes consisteront à tester différentes couches d'encapsulation pour voir si nous pouvons améliorer davantage le transfert de chaleur."