Pourquoi est-ce important: Les appareils électroniques, qui vont des téléphones portables aux centres de données, sont connus pour être de gros consommateurs d’énergie. Une solution pourrait être d’exploiter directement leur chaleur pour créer une technique de récupération d’énergie sur puce. Le problème est qu’aucun des rares matériaux capables de le faire n’est compatible avec la technologie actuelle des usines de fabrication de semi-conducteurs. Aujourd’hui, des chercheurs de toute l’Europe ont créé un alliage germanium-étain capable de convertir la chaleur perdue des processeurs informatiques en électricité.
Une collaboration de recherche en Europe a permis de créer un nouvel alliage de silicium, de germanium et d’étain capable de convertir la chaleur perdue par les processeurs informatiques en électricité. Il s’agit d’une avancée majeure dans le développement de matériaux destinés à la récupération d’énergie sur puce, qui pourrait conduire à des appareils électroniques plus économes en énergie et plus durables. En fait, en ajoutant de l’étain au germanium, la conductivité thermique du matériau a été considérablement réduite tout en conservant ses propriétés électriques, ce qui le rend idéal pour les applications thermoélectriques.
Les chercheurs viennent du centre de recherche de Juliers et de l’Institut Leibniz de microélectronique de haute performance en Allemagne, de l’Université de Pise, de l’Université de Bologne en Italie et de l’Université de Leeds au Royaume-Uni. Leurs résultats ont fait la une de la revue scientifique ACS Applied Energy Materials.
Les chercheurs ont cherché à résoudre le problème de la consommation croissante d’énergie des appareils électroniques, dont la majeure partie est dissipée dans l’environnement sous forme de chaleur. En Europe, environ 1,2 exajoule de chaleur à basse température est gaspillée par les infrastructures et les appareils informatiques chaque année, soit à peu près l’équivalent de la consommation d’énergie primaire de l’Autriche ou de la Roumanie.
La solution semblait être d’exploiter la chaleur à basse température – c’est-à-dire inférieure à 80 °C – de ces appareils directement pour les processeurs d’ordinateur. Le problème est qu’il existe 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.
Le nouvel alliage semi-driver créé par les chercheurs est composé de tous les éléments du 4e groupe principal du tableau périodique, ce qui lui permet d’être facilement intégré dans le processus CMOS de production de puces. 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.
« 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, responsable du groupe de recherche au Forschungszentrum Jülich.
Ces recherches pourraient également conduire à une amélioration des performances des dispositifs. En exploitant les propriétés d’alliage des éléments du groupe IV, les domaines d’application s’élargissent pour inclure la thermoélectricité, la photonique et la spintronique. En effet, chaque technologie apporte des capacités uniques : la thermoélectricité pour la récupération d’énergie, la photonique pour la transmission de données par la lumière et la spintronique pour le traitement de l’information par le magnétisme. L’intégration monolithique de ces technologies sur la même puce est un objectif ambitieux à long terme de la technologie à base de silicium pour plusieurs raisons.
Par exemple, les composants photoniques peuvent permettre une transmission de données plus rapide et une consommation d’énergie plus faible par rapport aux interconnexions électroniques traditionnelles. De plus, en combinant plusieurs fonctionnalités sur une seule puce, plutôt que d’avoir recours à des puces distinctes pour chaque technologie, des dispositifs plus compacts peuvent être développés.
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