Les nouveaux nanofils de silicium peuvent vraiment supporter la chaleur

Les scientifiques ont démontré 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 limitations 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 le Lettres d’examen physique étude rapportant 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.

Le flux lent 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.

Dans chaque micropuce se trouvent des dizaines de milliards de transistors en silicium qui dirigent le flux d’électrons entrant et sortant des cellules de 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 a 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 de la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley.

En tant que 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.

« Les phonons finissent par avoir l’idée et trouvent leur chemin vers l’extrémité froide pour refroidir le matériau en silicium », mais ce chemin indirect permet à la chaleur résiduelle 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 28 pur 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 jusqu’à 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.

Cela a conduit à une série d’expériences pionnières, dont une étude de 2006 publiée dans Naturepar lequel 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 stockées simultanément sous la forme d’un et d’un zéro dans le spin d’un électron.

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 de 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 immeuble sans plan d’évacuation », a-t-il déclaré.

Mais le transport de la 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.

« 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 une bonne idée sur la façon dont de l’utiliser », a déclaré Ager. « Et la nouvelle étude de Junqiao était un tel cas. »

Une grande révélation surprenante avec des tests nano

« 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 en vrac de 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 conduit la chaleur seulement 10% mieux que le silicium naturel.

Passons maintenant au 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, soit environ mille fois plus fins qu’un seul cheveu humain.

Pour mesurer la conductivité thermique, Ci a suspendu chaque nanofil entre deux coussinets de microchauffage 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 ne voir qu’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 mensurations de Ci les ont tous étonnés. Les nanofils Si-28 ont conduit la chaleur non pas 10% ou même 20%, mais 150% mieux que les nanofils de silicium naturel avec le même diamètre et la 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 de 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 prévoyait ensuite de faire passer sa découverte à l’étape suivante : en étudiant comment « contrôler, plutôt que simplement mesurer, la conduction thermique dans ces matériaux ».