Un nouveau matériau ouvre la voie à la collecte d'énergie sur puce
Des chercheurs allemands, italiens et britanniques ont réalisé une avancée majeure dans le développement de matériaux adaptés à la collecte d'énergie sur puce. En composant un alliage de silicium, de germanium et d'étain, ils ont pu créer un matériau thermoélectrique, promettant de retransformer la chaleur résiduelle des processeurs informatiques en électricité. Tous les éléments étant issus du quatrième groupe principal du tableau périodique, ce nouvel alliage semi-conducteur peut être facilement intégré dans le processus CMOS de production de puces. Les résultats de la recherche ont fait la couverture de la revue scientifique ACS Applied Energy Materials.
La couverture indique que parmi les multiples choix d'éléments et d'alliages disponibles, les semi-conducteurs du groupe IV GeSn ont la possibilité d'apporter la récolte d'énergie sur une puce Si.
ACS Applied Energy Materials, ACS Volume 7, Issue 13
L'utilisation croissante d'appareils électroniques dans tous les aspects de notre vie entraîne une augmentation de la consommation d'énergie. La majeure partie de cette énergie est dissipée dans l'environnement sous forme de chaleur. En Europe, environ 1,2 Exajoule de chaleur à basse température est gaspillé chaque année par les infrastructures et les appareils informatiques, tels que les centres de données et les appareils intelligents. Cela équivaut à peu près à la consommation d'énergie primaire de l'Autriche ou de la Roumanie. Cette chaleur de qualité inférieure à 80 °C est traditionnellement difficile à exploiter en raison d'une faible efficacité thermodynamique et de contraintes technologiques.
Par conséquent, l'utilisation directe de la chaleur à basse température pour les processeurs informatiques semble être une solution idéale. Mais il n'existe que très peu de matériaux disponibles pour convertir la chaleur en énergie électrique, et aucun d'entre eux n'est compatible avec la technologie actuelle des usines de fabrication de semi-conducteurs.
Une collaboration de recherche entre le Forschungszentrum Jülich et l'IHP - Leibniz Institute for High Performance Microelectronics en Allemagne, ainsi que l'université de Pise, l'université de Bologne en Italie et l'université de Leeds au Royaume-Uni, vient de franchir une étape importante dans le développement de matériaux appropriés pour la collecte d'énergie sur puce, compatibles avec le processus CMOS de production de puces.
"L'ajout d'étain au germanium réduit considérablement la conductivité thermique du matériau tout en conservant ses propriétés électriques, une combinaison idéale pour les applications thermoélectriques", explique le Dr Dan Buca, chef du groupe de recherche au Forschungszentrum Jülich. La confirmation expérimentale de la faible conductivité thermique du réseau, publiée dans ACS Applied Energy Materials, souligne le grand potentiel de ces alliages GeSn en tant que matériaux thermoélectriques. L'idée sous-jacente : En intégrant ces alliages dans des puces informatiques à base de silicium, il est possible d'utiliser la chaleur résiduelle générée pendant le fonctionnement et de la reconvertir en énergie électrique. Cette récupération d'énergie sur la puce pourrait réduire considérablement le besoin de refroidissement et d'alimentation externes, ce qui permettrait de créer des appareils informatiques plus durables et plus efficaces.
En outre, les éléments du groupe IV, également connus sous le nom de groupe du silicium, constituent la base de tout dispositif électronique et, en exploitant leurs propriétés d'alliage, les domaines d'application s'étendent désormais à la thermoélectricité, à la photonique et à la spintronique. L'intégration monolithique de la photonique, de l'électronique et de la thermoélectricité sur une même puce est l'objectif ambitieux à long terme de la technologie basée sur le silicium. En combinant ces domaines, il est possible non seulement d'améliorer les performances des appareils, mais aussi de soutenir le développement de technologies plus durables.
"Dans cet article, nous avons franchi une étape très importante. Nous avons évalué l'un des paramètres les plus critiques pour un matériau thermoélectrique, la conductivité thermique, en utilisant une série de techniques expérimentales différentes sur des échantillons épitaxiés avec différentes compositions d'alliage et épaisseurs", déclare le professeur Giovanni Capellini, chef de projet à l'IHP. "Notre recherche commune peut avoir un impact considérable dans le domaine des infrastructures ′Green IT′."
Les groupes de recherche du Forschungszentrum Jülich et de l'IHP poursuivent leur collaboration fructueuse. Ils visent à poursuivre le développement du matériau en étendant la composition de l'alliage à SiGeSn et à l'alliage ultime du groupe IV CSiGeSn, et à fabriquer un dispositif thermoélectrique fonctionnel pour démontrer le potentiel de récolte d'énergie des alliages du groupe IV. L'activité est soutenue financièrement par une nouvelle subvention DFG "Alliages SiGeSn pour la collecte d'énergie à température ambiante". En outre, cette activité pour FZJ est partiellement soutenue par le Conseil d'administration via le projet de doctorat collaboratif "CMOS energy harvesting for big data applications" (Collecte d'énergie CMOS pour les applications de données massives).
En savoir plus sur les éléments thermoélectriques
Un élément thermoélectrique convertit les différences de température directement en énergie électrique. Lorsqu'un gradient de température traverse un matériau thermoélectrique, il induit un flux de porteurs de charge, ce qui génère de l'électricité. Ce processus peut être utilisé pour capturer et recycler la chaleur perdue dans les appareils électroniques, en la reconvertissant en énergie utilisable et en réduisant la consommation globale d'énergie.
Pour les matériaux thermoélectriques, une faible conductivité thermique est souhaitable car elle permet un gradient de température plus important, ce qui est essentiel pour une conversion efficace de l'énergie. Les alliages GeSn, avec leur conductivité thermique réduite, excellent dans la création de ce gradient, améliorant ainsi leurs performances thermoélectriques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Omar Concepción, Jhonny Tiscareño-Ramírez, Ada Angela Chimienti, Thomas Classen, Agnieszka Anna Corley-Wiciak, Andrea Tomadin, Davide Spirito, Dario Pisignano, Patrizio Graziosi, Zoran Ikonic, Qing Tai Zhao, Detlev Grützmacher, Giovanni Capellini, Stefano Roddaro, Michele Virgilio, Dan Buca; "Room Temperature Lattice Thermal Conductivity of GeSn Alloys"; ACS Applied Energy Materials, Volume 7, 2024-5-15
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