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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 (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.).

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...) 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 sens général et ancien, la physique désigne la...) est impitoyable: en augmentant la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) de composants sur une puce vous augmentez nécessairement la dissipation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et donc l'échauffement. Aujourd'hui, avec les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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 généralement constitué d'un noyau...). 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...), 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...) 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...) 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...) 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...) 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 physiques, en...)" 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 (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) encore inexplorés, à la limite intrinsèque du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) 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...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) des électrons et celle du cristal. La température des électrons a été déduite de la mesure des fluctuations haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) 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 différentes caractéristiques selon la direction.) 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 isolants électriques, les isolants thermiques,...) 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 électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules...) 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, électrique.) 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 plus haute énergie sont affectés...) 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 impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le carré du...). 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) 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...) tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont...) 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 désigne également le cadre...) 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)

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Source et illustrations: CNRS-INP