Une voie pour améliorer la dissipation thermique des dispositifs électroniques

Publié par Redbran le 08/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Une équipe internationale réunissant des chercheurs de l'Institut Pprime, du laboratoire franco-japonais LIMMS, de l'université de Tokyo et du CEMHTI, a montré expérimentalement que la conductivité thermique dans des couches ultra-minces de nitrure de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) est due à des quasi-particules, appelées phonons-polaritons de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...). Une voie pour améliorer la dissipation 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...) dans les dispositifs électroniques et photoniques de taille nanométrique. Les résultats sont publiés dans Science Advances.


Génération et propagation de phonon-polaritons de surface (PhPS): L'excitation thermique d'une couche mince polaire (par exemple SiN) provoque la fluctuation de ses dipôles électriques microscopiques qui émettent un champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force électromagnétique qu'exercent des particules chargées. Concept important de l'électromagnétisme, ce champ...) nommé PhPS (lignes bleues). Ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) l'excitation des dipôles voisins qui maintiennent sa propagation le long du film principalement. Cette propagation est entraînée par l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le...) 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.) du film, ce qui génère un courant thermique associé aux PhPS le long du film.
©Jose ORDONEZ-MIRANDA, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Pprime, 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).)

L'un des principaux défis posés par la miniaturisation des dispositifs électroniques est la dissipation thermique. En effet, quand la taille des structures diminue, les phonons acoustiques, principaux transporteurs de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), sont de plus en plus diffusés sur les surfaces: la dissipation thermique est moins efficace, ce qui provoque des surchauffes et des risques d'endommagement du dispositif. Des chercheurs de l'Institut Pprime (CNRS/université de Poitiers), du laboratoire franco-japonais LIMMS (CNRS/Université de Tokyo), de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Tokyo et du CEMHTI (CNRS/Université d'Orléans), proposent d'utiliser un nouveau mode de dissipation de la chaleur dans des structures de taille nanométrique, basée non plus sur les phonons, mais sur la conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans...) par des quasi-particules appelées phonons-polaritons de surface.

L'équipe a travaillé sur des couches ultra-minces de nitrure de silicium (SiN amorphe, un 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...) diélectrique polaire). Des mesures expérimentales dans des membranes de SiN d'épaisseur inférieure à 100 nm ont montré que la conductivité thermique du matériau augmente avec 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...). Ainsi, dans une membrane de SiN de moins de 50 nm d'épaisseur, la conductivité thermique double quand la température passe de 300 K à 800 K. Ce phénomène ne peut être dû au 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...) de chaleur par des phonons, qui au contraire diminue avec la température. Une analyse théorique a montré que cette croissance de la conductivité thermique avec la température, dans ces couches ultra-minces, est la "signature" d'une conduction par des phonons-polaritons de surface.

Les chercheurs ont ainsi mis en évidence un nouveau canal de dissipation thermique qui compense la perte de conductivité par les phonons dans les structures nanométriques. Ces résultats posent les bases d'une nouvelle voie pour résoudre les problèmes de surchauffes des dispositifs microélectroniques ou photoniques sur silicium. De nouvelles recherches sont en cours pour étudier l'influence de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et,...) des couches minces sur les propriétés thermiques, et ainsi optimiser la conductivité par les phonons-polaritons de surface.

Références:
Enhanced thermal conduction by surface phonon-polaritons
Y. Wu, J. Ordonez-Miranda, S. Gluchko, R. Anufriev, D. De Sousa Meneses, L. Del.
Campo, S. Volz, and M. Nomura.
Science Advances (Sept 2020)
https://doi.org/10.1126/sciadv.abb4461
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