Trouver des moyens de gérer le flux de chaleur dans le silicium pourrait améliorer les performances des semi-conducteurs, mais, jusque là, découvrir le bon design est resté insaisissable. Maintenant, une équipe de chercheurs de Penn State rapporte qu'une technique de fabrication peut offrir une voie vers la maîtrise du flux souvent chaotique de porteurs de chaleur à l'échelle nanométrique dans le silicium et d'autres semi-conducteurs.

Dans une étude, les chercheurs ont utilisé des superordinateurs pour tester une conception qui insère des trous de taille nanométrique dans un semi-conducteur en silicium et ont découvert que le modèle résultant, qui se compose d'inclusions de forme sphérique uniformément réparties pourrait considérablement influencer la capacité à canaliser la chaleur via des vibrations atomiques appelées phonons. Les inclusions sont des trous de rayons compris entre 7 et 30 nanomètres. A titre de comparaison, un cheveu humain vaut environ 80, 000 nanomètres de large.

Les chercheurs ont ajouté qu'il s'agit d'une étape importante vers la compréhension de la façon de contrôler le flux de chaleur à travers les semi-conducteurs en silicium et, un jour, améliorer les performances de ces puces.

Le contrôle du flux de chaleur est difficile en raison de la façon dont les phonons ricochent dans les matériaux à certaines échelles, dit Ismaila Dabo, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux.

"Quand vous regardez la chaleur du niveau d'être fait de phonons, les particules conductrices de chaleur, on se rend vite compte que ces phonons ne peuvent aller que si loin sans être déviés, " dit Dabo, qui est également associé de l'Institute of Computational and Data Sciences (ICDS), qui exploite le supercalculateur sur lequel les recherches de l'équipe ont été menées. "Donc, il n'y a qu'une distance limitée qu'un phonon peut parcourir dans le matériau et cette distance est de l'ordre de 50 nanomètres à 1, 000 nanomètres pour la plupart des matériaux."

Lorsque la géométrie des structures réalisées avec ces matériaux est de l'ordre de ces échelles de longueur, le comportement des phonons devient plus compliqué, selon Brian Foley, professeur adjoint de génie mécanique.

"Au cours des dernières décennies, les gens ont essayé de concevoir des matériaux à faible conductivité thermique pour des choses comme les thermoélectriques et les revêtements de barrière thermique, " a déclaré Foley. " Ce travail montre que si vous continuez cette approche nanostructurée dans le régime inférieur à 10 nm dans un système géométrique ordonné, vous passez par une conductivité thermique minimale puis récupérez rapidement les propriétés en vrac à mesure que les inclusions continuent de rétrécir et finalement disparaissent. Maintenant, pouvoir accéder à l'autre côté de ce minimum, Je pense que cela devient de plus en plus intéressant car nous pouvons concevoir des matériaux à conductivité thermique plus sensibles aux paramètres de taille."

Bien que ce travail représente une étape importante, ce n'est encore qu'un premier pas, selon les chercheurs, qui rapportent leurs conclusions dans un récent numéro de ACS Nano . Cependant, cela pourrait ouvrir d'autres possibilités, au-delà des améliorations des puces informatiques, à l'avenir. La conception pourrait, par exemple, aider à convertir la chaleur qui pourrait autrement être gaspillée en énergie utilisable.

« Cela définit un objectif pour la prochaine décennie environ, Je crois, utiliser des systèmes avancés comme ceux-ci pour concevoir des équivalents thermiques aux appareils électriques, comme les diodes et les transistors, " a déclaré Foley. " Le piégeage de la chaleur et l'amélioration de l'efficacité énergétique seraient les avantages les plus directs de ces dispositifs thermiques.

Les chercheurs ont déclaré que ces travaux aidaient également d'autres scientifiques à explorer le monde souvent étrange du travail avec les phonons. Alors que la plupart des gens se rendent compte que les électrons et les photons peuvent présenter à la fois des comportements ondulatoires et comme des particules, ils ne savent peut-être pas que les phonons ont une qualité similaire, dit Weinan Chen, assistant de recherche diplômé et co-premier auteur de l'article.

"Nous savons qu'un électron peut être soit une particule soit une onde, qui est le fondement de la physique moderne, " dit Chen. " Le même concept s'applique aux phonons. Elle peut être vue comme une particule et elle peut être vue comme une onde. Dans ce cas, il ne transporte plus d'électricité, c'est un courant de chaleur. Donc, c'est très sensible à la température et à la façon dont la température est distribuée à travers le matériau."

Contrairement aux électrons et aux photons, les phonons doivent exister dans un état de matière condensée, ce qui donne beaucoup de maux de tête aux chercheurs qui étudient les phonons.

"Nous pensons parfois que le monde de l'électronique l'a fait - avec des voies conductrices bien définies et des" gaz "interagissant faiblement d'électrons et de trous qui se voient rarement, " dit Foley. " Mais, le flux de chaleur peut être plus difficile à étudier car il est difficile à confiner et va partout ; sans parler de la complexité des phonons lorsqu'ils rebondissent les uns sur les autres, ils rebondissent dans d'autres trucs. C'est un réseau interconnecté de diaphonie et de collisions; ça peut être un gros gâchis."

Disha Talreja, doctorant et co-premier auteur de l'ouvrage, partage ce sentiment, disant que mesurer le flux de chaleur dans ces structures compliquées était très gratifiant. a dit Talreja, "Synthétiser des pores de taille nanométrique de manière ordonnée dans des matériaux comme le silicium et être capable de capturer expérimentalement la diffusion théoriquement prédite des phonons à travers eux était en effet un voyage passionnant."

Dabo et Foley ont ajouté que la capacité de concevoir avec précision ces nanostructures - ou accordabilité - n'aurait pas été possible sans les techniques de nanofabrication développées par feu John Badding.

"Le processus de fabrication, tome, est époustouflant, " a déclaré Foley. " Ce que John Badding a développé est perturbateur en ce sens qu'il s'agit d'une toute nouvelle voie pour la conception de structures thermiques. J'espère que nous pourrons aider à faire de cette partie de son héritage à la fois la chimie et les sciences au sens large."