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.
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′ ». 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.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
