Un nouveau film anisotrope pourrait rapprocher les transistors

Oct 28, 2023

Le regroupement des transistors à proximité soulève le problème de la friture thermique des appareils. Aujourd'hui, les scientifiques ont développé un matériau artificiel qui est l'un des meilleurs jamais conçus pour conduire la chaleur dans une direction tout en gardant cette chaleur isolée de son environnement dans d'autres directions. La recherche pourrait un jour aider les micropuces à devenir plus puissantes sans se briser en cas de surchauffe.

À mesure que l’électronique continue de se miniaturiser, de plus en plus de chaleur est produite dans un espace donné, ce qui fait du contrôle thermique un défi majeur dans la conception électronique. "Si votre ordinateur ou ordinateur portable surchauffe, cela peut poser un problème de sécurité", explique Shi En Kim, auteur principal de l'étude et ingénieur moléculaire à l'Université de Chicago.

Les progrès récents en matière de gestion de la chaleur incluent les conducteurs thermiques dits anisotropes. Dans ces matériaux, la chaleur circule plus rapidement dans une direction que dans une autre.

Un certain nombre de structures cristallines naturelles sont de puissants conducteurs thermiques anisotropes : avec le graphite, par exemple, la chaleur est canalisée environ 340 fois plus rapidement sur son axe rapide que sur son axe lent. Cependant, ces matériaux naturels sont souvent difficiles à utiliser dans les techniques de fabrication à grande échelle et peuvent ne pas posséder les types de propriétés électriques ou optiques souhaitables pour les dispositifs. En revanche, la plupart des matériaux structurés artificiellement sont de mauvais conducteurs thermiques anisotropes, souvent avec des rapports de flux thermique rapide-lent inférieurs à 20 à température ambiante.

Aujourd'hui, les scientifiques ont créé un matériau artificiel avec un rapport de flux thermique rapide/lent allant jusqu'à environ 880 à température ambiante, l'un des plus élevés jamais rapportés. Ils ont détaillé leurs conclusions dans le numéro du 30 septembre de la revue Nature.

Le secret réside dans l’utilisation de matériaux constitués de films empilés de couches atomiquement minces – dans ce cas, de bisulfure de molybdène. Les couches sont maintenues ensemble par de faibles forces électriques appelées interactions de Van der Waals, les mêmes forces qui rendent souvent les rubans adhésifs collants. D'autres matériaux de Van der Waals en couches comprennent le graphite et les dichalcogénures de métaux de transition.

Le bisulfure de molybdène empile efficacement la chaleur dans deux dimensions, mais pas dans la troisième. La clé de l’effet isolant réside dans la façon dont les réseaux des films adjacents tournent les uns par rapport aux autres. (Imaginez une pile de damiers, chaque plateau étant tourné de telle sorte qu'aucun de ses carrés ne s'aligne avec ceux de ses voisins.)

Dans ces empilements, les principaux porteurs de chaleur sont les phonons, quasi-particules constituées de vibrations dans les structures réticulaires des cristaux. Lorsque des films adjacents de sulfure de molybdène sont empilés de manière à ce que leurs réseaux soient alignés, les phonons circulent facilement dans toutes les directions, bien que plus efficacement au sein des couches. Cependant, lorsque ces réseaux tournent les uns par rapport aux autres, les phonons ne circulent efficacement qu’au sein des couches.

Lorsque les scientifiques ont utilisé ces piles pour recouvrir des électrodes en or mesurant seulement 15 nanomètres de haut et 100 nanomètres de large, ils ont découvert que les électrodes pouvaient transporter plus de courant sans surchauffer et sans empêcher la chaleur d'atteindre la surface de l'appareil. "Nous pensons que notre matériau peut être utile pour la gestion thermique dans l'électronique", déclare Kim.

Kim note qu'ils ont choisi d'expérimenter le bisulfure de molybdène parce qu'ils avaient déjà développé les moyens de faire pousser de grands films de ce matériau. En principe, les empilements constitués d’autres matériaux atomiquement minces, tels que le graphène, pourraient fonctionner aussi bien, voire mieux. Des recherches futures pourraient également étudier les performances de ce que l'on appelle les hétérostructures constituées d'empilements de deux matériaux différents ou plus, note-t-elle.

Kim prévient que pour leurs expériences, "nos films sont empilés à la main, ce qui n'est pas une manière très évolutive de fabriquer des films très épais. À terme, ces matériaux pourraient avoir des applications pratiques, mais il faut mettre au point des choses pour rendre leur production évolutive."