Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Posté par Redbran le Lundi 18/12/2017 à 12:00
Un nouveau mécanisme de refroidissement ultra-efficace pour les transistors de graphène

Des physiciens viennent de mettre en évidence un nouveau mécanisme de refroidissement pour les composants électroniques en graphène déposés sur du nitrure de bore. L’efficacité de ce mécanisme leur a permis d’atteindre pour la première fois des intensités électriques à la limite intrinsèque de conduction du graphène.

Du supercalculateur au smartphone, les concepteurs de matériel informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que...) sont confrontés à un défi majeur: évacuer toujours plus de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) pour éviter la dégradation voire même la destruction des composants électroniques. La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) est impitoyable: en augmentant la densité de composants sur une puce vous augmentez nécessairement la dissipation d’énergie et donc l’échauffement. Aujourd’hui, avec les matériaux lamellaires de la famille du graphène, cette question devient particulièrement aiguë, car les composants ne sont constitués que d’une seule couche d’atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...). Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...), en réalisant un transistor à base de graphène déposé sur un substrat de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), des physiciens du Laboratoire Pierre Aigrain (CNRS/ENS/UPMC/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents...) Diderot) ont mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) un nouveau mécanisme de refroidissement 10 fois plus efficace que la simple diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) de la chaleur. Ce nouveau mécanisme, qui exploite la nature bidimensionnelle des matériaux ouvre un véritable « pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) » entre le graphène et le substrat. Les chercheurs ont démontré l’efficacité de ce mécanisme en faisant circuler dans le graphène des niveaux de courant électrique encore inexplorés, à la limite intrinsèque du matériau et cela sans aucune dégradation du dispositif. Ce résultat, publié dans Nature Nanotechnology, constitue un pas important vers le développement de transistors électroniques hautefréquence à base de graphène.

Pour réaliser cette expérience, les physiciens ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d’abord fabriqué un transistor à base de graphène. À cet effet, ils ont déposé le graphène sur un large cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale...) de nitrure de bore de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur lui-même déposé sur une plaque en or servant de thermostat (Un thermostat est un système assurant une température constante. Cela peut être un dispositif passif (type bouteille thermos) ou bien un appareil qui sert a réguler une température.). Ils ont alors fait fonctionner ce transistor à des intensités électriques croissantes et mesuré à la fois la température des électrons et celle du cristal. La température des électrons a été déduite de la mesure des fluctuations haute fréquence du courant électrique. La température du cristal de nitrure de bore a été mesurée par spectroscopie Raman.

Leur première surprise a été d’observer que seuls les électrons s’échauffent, épargnant ainsi la structure cristalline du matériau. Les chercheurs ont ensuite observé l’allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température d'inflammation...) d’un mécanisme de refroidissement des électrons ultra-efficace au-delà d’un seuil de tension (La tension est une force d'extension.). Ils ont expliqué ce phénomène par l’anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter...) diélectrique de la couche de nitrure de bore. Cette anisotropie confère à cet isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les...) la propriété remarquable de posséder des modes mixtes lumière-vibration appelés polaritons hyperboliques qui se propagent dans l’épaisseur du matériau dans un régime interdit à la plupart des autres isolants. Ces modes « hyperboliques » ouvrent un véritable pont thermique entre le graphène et l’électrode arrière garantissant un refroidissement 10 fois plus efficace que la simple diffusion de la chaleur. L’équipe du LPA a montré que l’efficacité de ce mécanisme est décuplée lorsque le transistor entre dans le régime de Zener-Klein, obtenu sous très fort champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique dans du graphène de haute mobilité électronique. Dans ce nouveau régime, d’intérêt tout particulier pour des applications d’amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique,...) à haute fréquence, les électrons sont directement pompés de la bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion locale du cristal (entre atomes voisins). Ces états de...) à la bande de conduction par effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement...). Dans ces conditions, ils se couplent de manière optimale aux modes hyperboliques, permettant à la chaleur de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) directement au substrat sans endommager le réseau du graphène.


Caractéristiques courant-tension (gauche) et température-tension (droite) d’un transistor graphène sur nitrure de bore. L’effet transistor est visible par la modulation du courant en fonction de la tension grille en régime de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de déplacements...) tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands...) Zener-Klein (grisé). Il s’accompagne d’une chute remarquable de la température électronique liée à l’émission de polaritons hyperboliques dans le nitrure de bore.

Référence publication:
A graphene Zener–Klein transistor cooled by a hyperbolic substrate
W. Yang, S. Berthou, X. Lu, Q. Wilmart, A. Denis, M. Rosticher, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Fève, J.-M. Berroir, G. Zhang, C. Voisin, E. Baudin & B. Plaçais
Nature Nanotechnology (2017), doi:10.1038/s41565-017-0007-9

Contact chercheur:
Bernard Plaçais, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Laboratoire Pierre Aigrain (LPA, CNRS/ENS/UPMC/Univ. Paris Diderot)

Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source et illustrations: CNRS-INP