Image de microscopie électronique à transmission montrant un nanofil de silicium-28 recouvert de dioxyde de silicium (SiO2). (Crédit : Matthew R. Jones et Muhua Sun/Rice University)
Les scientifiques ont présenté un nouveau matériau qui conduit la chaleur 150 % plus efficacement que les matériaux conventionnels utilisés dans les technologies de puces avancées.
Le dispositif - un nanofil de silicium ultrafin - pourrait permettre une microélectronique plus petite et plus rapide avec une efficacité de transfert de chaleur qui surpasse les technologies actuelles. Les appareils électroniques alimentés par des micropuces qui dissipent efficacement la chaleur consommeraient à leur tour moins d'énergie - une amélioration qui pourrait aider à atténuer la consommation d'énergie produite par la combustion de combustibles fossiles riches en carbone qui ont contribué au réchauffement climatique.
"En surmontant les limites naturelles du silicium dans sa capacité à conduire la chaleur, notre découverte s'attaque à un obstacle dans l'ingénierie des micropuces", a déclaré Junqiao Wu, le scientifique qui a dirigé l'étude Physical Review Letters sur le nouveau dispositif. Wu est un scientifique de la faculté de la Division des sciences des matériaux et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.
Lente circulation de la chaleur à travers le silicium
Nos appareils électroniques sont relativement abordables car le silicium - le matériau de choix pour les puces informatiques - est bon marché et abondant. Mais bien que le silicium soit un bon conducteur d'électricité, il n'est pas un bon conducteur de chaleur lorsqu'il est réduit à de très petites tailles - et lorsqu'il s'agit de calcul rapide, cela pose un gros problème pour les micropuces minuscules.
Représentation d'artiste d'une micropuce. (Crédit : dmitriy-orlovskiy/Shutterstock)
Dans chaque micropuce se trouvent des dizaines de milliards de transistors en silicium qui dirigent le flux d'électrons entrant et sortant des cellules mémoire, encodant des bits de données sous forme de uns et de zéros, le langage binaire des ordinateurs. Des courants électriques circulent entre ces transistors qui travaillent dur, et ces courants génèrent inévitablement de la chaleur.
La chaleur circule naturellement d'un objet chaud vers un objet froid. Mais le flux de chaleur devient délicat dans le silicium.
Dans sa forme naturelle, le silicium est composé de trois isotopes différents - des formes d'un élément chimique contenant un nombre égal de protons mais un nombre différent de neutrons (donc une masse différente) dans leurs noyaux.
Environ 92 % du silicium est constitué de l'isotope silicium-28, qui contient 14 protons et 14 neutrons ; environ 5% est du silicium-29, pesant 14 protons et 15 neutrons; et seulement 3% est du silicium-30, un poids relativement lourd avec 14 protons et 16 neutrons, a expliqué le co-auteur Joel Ager, qui détient les titres de scientifique principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.
De gauche à droite : Junqiao Wu et Joel Ager. (Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab ; photo de Joel Ager avec l'aimable autorisation de l'UC Berkeley)
Comme les phonons, les ondes de vibration atomique qui transportent la chaleur, serpentent à travers la structure cristalline du silicium, leur direction change lorsqu'elles heurtent le silicium-29 ou le silicium-30, dont les différentes masses atomiques "confondent" les phonons, les ralentissant bas.
"Les phonons finissent par comprendre l'idée et trouvent leur chemin vers l'extrémité froide pour refroidir le matériau en silicium", mais ce chemin indirect permet à la chaleur perdue de s'accumuler, ce qui ralentit également votre ordinateur, a déclaré Ager.
Un grand pas vers une microélectronique plus rapide et plus dense
Pendant de nombreuses décennies, les chercheurs ont émis l'hypothèse que les puces en silicium pur 28 dépasseraient la limite de conductivité thermique du silicium et amélioreraient donc les vitesses de traitement de la microélectronique plus petite et plus dense .
Mais la purification du silicium en un seul isotope nécessite des niveaux d'énergie intenses que peu d'installations peuvent fournir - et encore moins se spécialisent dans la fabrication d'isotopes prêts à être commercialisés, a déclaré Ager.
Heureusement, un projet international du début des années 2000 a permis à Ager et à l'expert en matériaux semi-conducteurs Eugene Haller de se procurer du gaz de tétrafluorure de silicium - le matériau de départ du silicium isotopiquement purifié - auprès d'une ancienne usine de fabrication d'isotopes de l'ère soviétique. (Haller a fondé le programme de matériaux électroniques financé par le DOE de Berkeley Lab en 1984 et a été chercheur principal dans la division des sciences des matériaux de Berkeley Lab et professeur de science des matériaux et de génie minéral à l'UC Berkeley. Il est décédé en 2018.)
Cela a conduit à une série d'expériences pionnières, y compris une étude de 2006 publiée dans Nature, dans laquelle Ager et Haller ont façonné le silicium-28 en monocristaux, qu'ils ont utilisés pour démontrer que la mémoire quantique stocke des informations sous forme de bits quantiques ou de qubits, des unités de données. stocké simultanément comme un et un zéro dans le spin d'un électron.
Image de microscopie optique d'un cristal à 99,92 % de silicium-28. Junqiao Wu, scientifique du Berkeley Lab, et son équipe ont utilisé le matériau pour produire des nanofils. (Crédit : Junqiao Wu/Berkeley Lab)
Par la suite, il a été démontré que les couches minces semi-conductrices et les monocristaux fabriqués avec le matériau isotope de silicium d'Ager et Haller avaient une conductivité thermique supérieure de 10 % à celle du silicium naturel - une amélioration, mais du point de vue de l'industrie informatique, probablement pas suffisante pour justifier dépenser mille fois plus d'argent pour construire un ordinateur à partir de silicium isotopiquement pur, a déclaré Ager.
Mais Ager savait que les matériaux isotopiques du silicium avaient une importance scientifique au-delà de l'informatique quantique. Il a donc gardé ce qui restait en lieu sûr au laboratoire de Berkeley, juste au cas où d'autres scientifiques en auraient besoin, car peu de gens ont les ressources nécessaires pour fabriquer ou même acheter du silicium isotopiquement pur, a-t-il expliqué.
Un chemin vers une technologie plus froide avec le silicium-28
Il y a environ trois ans, Wu et son étudiant diplômé Penghong Ci essayaient de trouver de nouvelles façons d'améliorer le taux de transfert de chaleur dans les puces de silicium.
Une stratégie pour fabriquer des transistors plus efficaces consiste à utiliser un type de nanofil appelé transistor à effet de champ Gate-All-Around. Dans ces dispositifs, des nanofils de silicium sont empilés pour conduire l'électricité et de la chaleur est générée simultanément, a expliqué Wu. "Et si la chaleur générée n'est pas extraite rapidement, l'appareil cesserait de fonctionner, comme une alarme incendie retentissant dans un grand bâtiment sans plan d'évacuation", a-t-il déclaré.
Mais le transport de chaleur est encore pire dans les nanofils de silicium, car leurs surfaces rugueuses - cicatrices du traitement chimique - dispersent ou "confondent" encore plus les phonons, a-t-il expliqué.
Image de microscopie optique d'un microdispositif composé de deux plots suspendus reliés par un nanofil de silicium. (Crédit : Junqiao Wu/Berkeley Lab)
"Et puis un jour, nous nous sommes demandé : "Que se passerait-il si nous fabriquions un nanofil à partir de silicium-28 isotopiquement pur ?", a déclaré Wu.
Les isotopes de silicium ne sont pas quelque chose que l'on peut facilement acheter sur le marché libre, et on disait qu'Ager avait encore des cristaux d'isotopes de silicium en stock au laboratoire de Berkeley - pas beaucoup, mais toujours assez pour partager "si quelqu'un a un grand idée sur la façon de l'utiliser », a déclaré Ager. "Et la nouvelle étude de Junqiao était un tel cas."
Une grande révélation surprenante avec les nano-tests
"Nous sommes vraiment chanceux que Joel ait pu disposer du matériau de silicium enrichi en isotopes prêt à être utilisé pour l'étude", a déclaré Wu.
En utilisant les matériaux isotopes de silicium d'Ager, l'équipe Wu a testé la conductivité thermique dans des cristaux de silicium-28 de taille 1 millimètre par rapport au silicium naturel - et encore une fois, leur expérience a confirmé ce qu'Ager et ses collaborateurs ont découvert il y a des années - que le silicium en vrac- 28 ne conduit la chaleur que 10 % mieux que le silicium naturel.
Maintenant, pour le test nano. En utilisant une technique appelée gravure autocatalytique, Ci a fabriqué des nanofils de silicium naturel et de silicium-28 de seulement 90 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre – environ mille fois plus fins qu'un seul cheveu humain.
Pour mesurer la conductivité thermique, Ci a suspendu chaque nanofil entre deux coussinets microchauffants équipés d'électrodes et de thermomètres en platine, puis a appliqué un courant électrique à l'électrode pour générer de la chaleur sur un coussinet qui s'écoule vers l'autre via le nanofil.
"Nous nous attendions à voir seulement un avantage supplémentaire - quelque chose comme 20 % - de l'utilisation d'un matériau isotopiquement pur pour la conduction thermique des nanofils", a déclaré Wu.
Mais les mesures de Ci les ont tous étonnés. Les nanofils de Si-28 ont conduit la chaleur non pas à 10 % ni même à 20 %, mais à 150 % mieux que les nanofils de silicium naturel de même diamètre et de même rugosité de surface.
Cela a défié tout ce qu'ils s'attendaient à voir, a déclaré Wu. La surface rugueuse d'un nanofil ralentit généralement les phonons. Alors que se passait-il ?
Des images TEM (microscopie électronique à transmission) haute résolution du matériau capturées par Matthew R. Jones et Muhua Sun à l'Université Rice ont révélé le premier indice : une couche de dioxyde de silicium semblable à du verre sur la surface du nanofil de silicium-28.
Des expériences de simulation informatique à l'Université du Massachusetts à Amherst dirigées par Zlatan Aksamija, un expert de premier plan sur la conductivité thermique des nanofils, ont révélé que l'absence de "défauts" isotopiques - silicium-29 et silicium-30 - empêchait les phonons de s'échapper vers la surface, où la couche de dioxyde de silicium ralentirait considérablement les phonons. Cela a à son tour maintenu les phonons sur la bonne voie dans la direction du flux de chaleur – et donc moins « confus » – à l'intérieur du « noyau » du nanofil de silicium-28. (Aksamija est actuellement professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de l'Utah.)
"C'était vraiment inattendu. Découvrir que deux mécanismes distincts de blocage des phonons – la surface par rapport aux isotopes, que l'on croyait auparavant indépendants l'un de l'autre – fonctionnent maintenant en synergie à notre avantage dans la conduction thermique est très surprenant mais aussi très gratifiant », a déclaré Wu.
"Junqiao et l'équipe ont découvert un nouveau phénomène physique", a déclaré Ager. « C'est un véritable triomphe pour la science axée sur la curiosité. C'est assez excitant.
Wu a déclaré que l'équipe prévoit ensuite de faire passer sa découverte à l'étape suivante : en étudiant comment "contrôler, plutôt que simplement mesurer, la conduction thermique dans ces matériaux".
Chercheurs de l'Université Rice ; l'Université du Massachusetts-Amherst; L'Université de Shenzhen et l'Université Tsinghua ont participé à l'étude.
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science.
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Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 14 prix Nobel. Aujourd'hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l'informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l'univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations du laboratoire pour leur propre découverte scientifique. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l'Université de Californie pour l'Office of Science du Département américain de l'énergie.
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