Le contrôle du flux de chaleur à travers les matériaux semi-conducteurs est un défi important dans le développement de puces informatiques plus petites et plus rapides, de panneaux solaires à haute performance et de meilleurs lasers et dispositifs biomédicaux.
Pour la première fois, une équipe internationale de scientifiques dirigée par un chercheur de l’Université de Californie à Riverside a modifié le spectre d’énergie des phonons acoustiques, des excitations élémentaires, également appelées quasi-particules, qui propagent la chaleur à travers les matériaux cristallins comme une onde. —en les confinant à des structures semi-conductrices à l’échelle nanométrique. Les résultats ont des implications importantes dans la gestion thermique des appareils électroniques.
Dirigée par Alexander Balandin , professeur émérite de génie électrique et informatique et professeur titulaire de la chaire présidentielle de l’UC au Bourns College of Engineering de l’UCR, la recherche est décrite dans un article publié le jeudi 10 novembre dans la revue Nature Communications . L’article s’intitule « Observation directe de branches de polarisation de phonons acoustiques confinés dans des nanofils autonomes ».
L’équipe a utilisé des nanofils semi-conducteurs d’arséniure de gallium (GaAs), synthétisés par des chercheurs finlandais, et une technique d’imagerie appelée spectroscopie de diffusion de la lumière Brillouin-Mandelstam (BMS) pour étudier le mouvement des phonons à travers les nanostructures cristallines. En modifiant la taille et la forme des nanostructures de GaAs, les chercheurs ont pu modifier le spectre d’énergie, ou la dispersion, des phonons acoustiques. L’instrument BMS utilisé pour cette étude a été construit au centre Phonon Optimized Engineered Materials (POEM) de l’UCR, dirigé par Balandin.
Le contrôle de la dispersion des phonons est crucial pour améliorer l’évacuation de la chaleur des appareils électroniques à l’échelle nanométrique, qui est devenu le principal obstacle permettant aux ingénieurs de continuer à réduire leur taille. Il peut également être utilisé pour améliorer l’efficacité de la production d’énergie thermoélectrique, a déclaré Balandin. Dans ce cas, la diminution de la conductivité thermique par les phonons est bénéfique pour les dispositifs thermoélectriques qui génèrent de l’énergie en appliquant un gradient de température aux semi-conducteurs.
«Pendant des années, la seule méthode envisagée pour modifier la conductivité thermique des nanostructures était la diffusion acoustique des phonons avec les limites et les interfaces des nanostructures. Nous avons démontré expérimentalement qu’en confinant spatialement les phonons acoustiques dans des nanofils, on peut modifier leur vitesse et la façon dont ils interagissent avec les électrons, les magnons et la façon dont ils transportent la chaleur. Notre travail crée de nouvelles opportunités pour ajuster les propriétés thermiques et électroniques des matériaux semi-conducteurs », a déclaré Balandin.
En plus de Balandin, les contributeurs à cet article comprenaient Fariborz Kargar, un étudiant diplômé et Ph.D. candidat en génie électrique et informatique à l’UCR et auteur principal de l’article ; Bishwajit Debnath, étudiant diplômé en génie électrique et informatique à l’UCR ; Kakko Joona Pekko, Antti Saynatjoki et Harri Lipsanen de l’Université Aalto à Helsinki, Finlande ; Denis L. Nika, de l’Université d’État de Moldavie à Chisinau, Moldavie ; et Roger K. Lake, professeur de génie électrique et informatique à l’UCR.
Le travail à UC Riverside a été soutenu dans le cadre de Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems (SHINES), un centre de recherche sur les frontières de l’énergie financé par le département américain de l’énergie, Office of Science, Basic Energy Sciences (BES) sous le prix # SC0012670.