Sur l’autoroute du transfert de chaleur, l’énergie thermique se déplace à travers des particules quantiques appelées phonons. Mais à l’échelle nanométrique des semi-conducteurs les plus avancés d’aujourd’hui, ces phonons ne peuvent pas évacuer suffisamment de chaleur. C'est pourquoi les chercheurs de l'Université Purdue se concentrent sur la création d'une nouvelle voie à l'échelle nanométrique sur l'autoroute du transfert de chaleur en utilisant des quasiparticules hybrides appelées « polaritons ».
« Nous avons plusieurs façons de décrire l'énergie. Lorsque nous parlons de lumière, nous la décrivons en termes de particules appelées « photons ». La chaleur transporte également de l'énergie de manière prévisible, et nous décrivons ces ondes d'énergie comme des « phonons ». Mais parfois, selon le matériau, les photons et les phonons se combinent pour créer quelque chose de nouveau appelé « polaron ». Il transporte l'énergie à sa manière, et il est différent des photons et des phonons", a déclaré Thomas Beacham, professeur agrégé de génie mécanique.
Comme les photons et les phonons, les polarons ne sont pas des particules physiques que l’on peut voir ou capturer. Il s’agit plutôt d’une manière de décrire l’échange d’énergie comme s’il s’agissait de particules.
Encore vague ? Pour changer de métaphore. "Les phonons sont comme un moteur à combustion, les photons sont comme une voiture électrique et les polens sont comme une Toyota Prius", a déclaré Beacham. "Ils sont un hybride de lumière et de chaleur qui conserve certaines propriétés des deux. Mais ils ont leurs propres caractéristiques particulières."
"Les polarons ont été utilisés dans de nombreux domaines, depuis le vitrail jusqu'aux tests de santé à domicile. Mais leur capacité à déplacer la chaleur a été largement négligée car leur impact ne devient significatif que lorsque les dimensions des matériaux deviennent très petites." a déclaré Jacob Minyard, doctorant dans le laboratoire de Beschem. "Nous savons que les phonons effectuent l'essentiel du travail de transfert de chaleur. Polarons L'effet ne peut être observé qu'à l'échelle nanométrique. Mais ce n'est que maintenant que nous avons dû aborder le transfert de chaleur à ce niveau, car les semi-conducteurs sont devenus si petits et si complexes que ceux qui conçoivent et construisent ces puces ont découvert que les phonons ne sont pas efficaces pour dissiper la chaleur à ces échelles de longueur."
Leurs recherches sur les polarons ont été sélectionnées comme article vedette dans le Journal of Applied Physics.
"Nous, dans la communauté des transferts de chaleur, avons toujours décrit les effets du polaron d'une manière spécifique aux matériaux", a déclaré Beacham. "Quelqu'un observera un effet polaron dans tel matériau ou telle interface. Tout est très différent. L'article de Jacob confirme qu'il ne s'agit pas d'un accident. Sur toute surface inférieure à 10 nanomètres, les polarons commencent à dominer le transfert de chaleur." Pratique. Cela équivaut à deux fois la taille des transistors de l’iPhone 15. Ce que nous faisons, c’est créer une voie supplémentaire sur l’autoroute. Plus l’échelle est petite, plus cette voie supplémentaire devient importante, et nous devons réfléchir à la conception du flux de circulation pour tirer parti à la fois des phonons et des polaritons. »
Le document de Minyard ne fait qu'effleurer la manière dont cela pourrait réellement être réalisé. La complexité des semi-conducteurs signifie qu'il existe de nombreuses opportunités pour exploiter des conceptions respectueuses des polarons : « La fabrication de puces implique de nombreux matériaux, du silicium lui-même aux diélectriques et aux métaux, et nos recherches visent à comprendre comment utiliser ces matériaux pour conduire la chaleur plus efficacement, tout en reconnaissant que les polarons offrent une toute nouvelle façon de déplacer l'énergie.
Conscients de cela, Beacham et Minyard espèrent montrer aux fabricants de puces comment intégrer ces principes de transfert de chaleur à l'échelle nanométrique basés sur le polariton directement dans la conception physique de la puce - depuis les matériaux physiques impliqués jusqu'à la forme et l'épaisseur des couches de la puce.
Si les travaux sont encore théoriques pour l’instant, les expériences physiques sont sur le point de commencer.
Références : Jacob Minyard et Thomas E. Beechem ont publié un article intitulé « Material Properties Governing In-Plane Phonon-Polaron Thermal Conductivity » publié dans le Journal of Applied Physics le 24 octobre 2023.
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Source compilée : ScitechDaily