En bout de ligne : Des scientifiques de l’UC Berkeley ont développé et démontré un nouveau type de nanofil de silicium ultrafin avec des propriétés de dissipation thermique bien supérieures à la technologie actuellement utilisée. La découverte pourrait conduire à des micropuces plus petites et plus rapides, mais la fabrication pourrait être un problème.
Le silicium dans l’électronique moderne est bon marché, abondant et bon conducteur d’électricité. Ce n’est pas un bon conducteur de chaleur, cependant, et c’est un peu un problème étant donné que l’excès de chaleur est un ennemi naturel de l’électronique. Le problème n’est amplifié que dans de minuscules micropuces contenant des milliards de transistors.
En tant que laboratoire de Berkeley explique, le silicium naturel est composé de trois isotopes principaux. Environ 92 % sont constitués de l’isotope silicium-28, tandis que les 5 % et 3 % restants sont respectivement constitués de silicium-29 et de silicium-30.
On avait longtemps émis l’hypothèse que les puces fabriquées avec du silicium 28 pur pourraient mieux conduire la chaleur et peut-être conduire à une électronique plus rapide et plus dense. Cela a été mis à l’épreuve au milieu des années 2000, mais les échantillons monocristallins ne présentaient qu’une conductivité thermique supérieure de 10 %. En termes simples, cela ne valait pas l’argent et les efforts nécessaires pour créer du silicium isotopiquement pur pour un si petit gain, de sorte que le matériau isotopique de silicium restant a été stocké au laboratoire de Berkeley au cas où d’autres scientifiques en auraient un jour besoin.
Il y a quelques années, ce scénario même s’est présenté.
Les scientifiques de Berkeley essayaient de trouver des moyens d’améliorer le transfert de chaleur dans les puces et se demandaient si des nanofils en silicium 28 pur aideraient. Ils ont contacté le propriétaire du matériel stocké et ont pu en sécuriser suffisamment pour les tests.
Le premier test impliquait des cristaux de silicium-28 en vrac d’une taille de 1 millimètre, et leurs résultats reflétaient l’amélioration de 10% réalisée il y a des années. L’équipe a ensuite utilisé un processus appelé gravure autocatalytique pour fabriquer des nanofils de silicium naturel et de silicium-28 de seulement 90 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre, soit environ 1 000 fois plus fins qu’un cheveu humain.
Les scientifiques s’attendaient à un gain supplémentaire par rapport aux résultats précédents, mais ont été choqués de voir que les nanofils purs conduisent la chaleur 150 % mieux que les nanofils de silicium naturel. Comment était-ce possible ?
L’observation au microscope électronique a révélé une couche vitreuse de dioxyde de silicium à la surface du nanofil de silicium-28. Des expériences de simulation informatique ont en outre noté que l’absence de silicium-29 et de silicium-30 empêchait les phonons de s’échapper vers la surface où ils seraient ralentis.
Les phonons sont décrits comme des ondes de vibration atomique qui transportent la chaleur à travers le silicium. Lorsqu’ils rencontrent du silicium-29 ou du silicium-30, qui ont des masses atomiques différentes, les phonons se confondent et ralentissent, ce qui entrave le transfert de chaleur. Ce n’est plus un problème avec le silicium-28 pur.
« 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 l’étude chef Junqiao Wu.
Le prochain objectif de l’équipe est de déterminer s’ils peuvent contrôler, plutôt que simplement mesurer, la conduction thermique dans des nanofils de silicium pur.
L’étude complète a été publiée dans la revue scientifique à comité de lecture Lettres d’examen physique.
Crédit image : Sergueï StarostineMatthew R. Jones et Muhua Sun de Université du riz
