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Une meilleure gestion thermique pour les petits appareils

La miniaturisation toujours plus poussée de l'électronique au cours des dernières décennies a permis de créer des appareils compacts aux fonctions hautement intégrées. Cependant, cette tendance n'échappe pas à certains problèmes, comme le contrôle de la conductivité thermique qui est essentiel pour empêcher les pannes dues à la chaleur, augmenter la durée de vie et réduire la consommation d'énergie de ces appareils.
Une meilleure gestion thermique pour les petits appareils
Les avancées dans le domaine des circuits intégrés se sont avérées essentielles pour la miniaturisation continue des appareils électroniques. Cela a eu un impact sur plusieurs champs d'application dans lesquels les nano-dispositifs électroniques haute-puissante-densité jouent un rôle important comme la thermoélectrique, la nano- et l'optoélectronique, les piles à combustible et les cellules solaires.

Le développement de la demande en appareils électroniques compacts et multifonctionnels s'est accompagné d'une augmentation de la chaleur générée par ces derniers. Dans le cadre du projet HEATPRONANO (Heat propagation and thermal conductivity in nanomaterials for nanoscale energy management), financé par l'UE, les chercheurs ont étudié comment la structure de surface et les propriétés des phonons (qui sont les principaux caloporteurs) contrôlent la conductivité thermique de membranes ultrafines. Le travail s'est concentré sur les membranes de silicium, de germanium et d'oxydes métalliques d'épaisseurs variées allant de quelques nanomètres à plusieurs centaines de nanomètres.

Les chercheurs ont démontré que la conductivité thermique des membranes de silicium d'une épaisseur inférieure à 4 nm peut être 40 fois inférieure à celle des substrats cristallins massifs et qu'elle est largement contrôlée par la composition chimique et la structure de la surface.

En combinant modélisation atomique de pointe, nouvelles techniques de fabrication et approches de mesures avancées, les chercheurs ont révélé le rôle de l'oxydation de surface dans la détermination de la dispersion des phonons. Ils ont observé que les couches rugueuses de l'oxyde natif limitent le libre parcours moyen des phonons thermiques en dessous d'une épaisseur de 100 nm. Les expériences ont également montré qu'en supprimant l'oxyde natif, la conductivité thermique des nanostructures de silicium est améliorée de pratiquement un ordre de grandeur.

Ces résultats ont des conséquences importantes pour la conception des applications phononiques futures étant donné qu'ils définissent à quelle échelle la nanostructuration de surface affecte les phonons thermiques de la manière la plus efficace.

À partir des résultats expérimentaux et théoriques, l'équipe a approfondi l'exploration de la cohérence des phonons comme fonction du désordre de rugosité de surface, puis expliqué ensuite pourquoi la conductivité thermique dans les structures à motifs n'est pas affectée par la cohérence des phonons à température ambiante. Les résultats sont importants pour les applications des cristaux phononiques dans les communications par radiofréquence et l'optomécanique qui dépendent de la capacité de modifier la relation de dispersion des phonons.

Le contrôle des niveaux de désordre pourrait aboutir à une nouvelle catégorie de désordre phononique, par analogie avec le champ déjà actif du désordre photonique. Alors que les appareils électroniques deviennent de plus en plus petits, les ingénieurs concepteurs sont confrontés à de nouveaux défis en matière d'exigences de performances, de taille, de poids et de température de fonctionnement. En conséquence, l'amélioration de la gestion thermique joue un rôle important pour la fiabilité des appareils qui sont conçus.

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Mots-clés

Gestion thermique, miniaturisation, conductivité thermique, appareils électroniques, HEATPRONANO