Materialul nou deschide calea pentru recoltarea energiei pe cip

8 iulie 2024

Cercetătorii din Germania, Italia și Regatul Unit au făcut progrese semnificative în dezvoltarea materialelor potrivite pentru recoltarea energiei pe cip. Prin crearea unui aliaj din siliciu, germaniu și staniu, aceștia au reușit să creeze un material termoelectric, promițând să transforme căldura reziduală a procesoarelor computerelor înapoi în energie electrică. Cu toate elementele care provin din al patrulea grup major al tabelului periodic, aceste noi aliaje semiconductoare pot fi incorporate cu ușurință în procesul de producție a cipurilor CMOS. Rezultatele cercetării au ajuns pe coperta renumitei reviste științifice ACS Applied Energy Materials.

Utilizarea din ce în ce mai mare a dispozitivelor electronice în toate aspectele vieții noastre duce la creșterea consumului de energie. Cea mai mare parte a acestei energii este disipată în mediu sub formă de căldură. În Europa, aproximativ 1,2 exajouli de căldură de calitate scăzută sunt irosite anual din infrastructura și dispozitivele IT, cum ar fi centrele de date și dispozitivele inteligente. Acesta este aproximativ echivalent cu consumul de energie primară al Austriei sau României. Această temperatură scăzută sub 80 °C este în mod tradițional o provocare din cauza eficienței termodinamice slabe și a limitărilor tehnologice.

Prin urmare, profitarea de căldură scăzută direct în procesoarele computerelor pare a fi soluția ideală. Dar există foarte puține materiale disponibile pentru a transforma căldura în energie electrică și niciunul dintre ele nu este compatibil cu tehnologia actuală din fabricile de producție de semiconductori.

Colaborarea de cercetare dintre Forschungszentrum Jülich și IHP – Institutul Leibniz pentru Microelectronică de înaltă performanță din Germania, în asociere cu Universitatea din Pisa, Universitatea din Bologna din Italia și Universitatea din Leeds din Regatul Unit, a atins o etapă importantă în dezvoltarea materiale adecvate pentru recoltarea energiei pe cip compatibile cu procesul CMOS pentru a produce Slide.

„Adăugarea staniului la germaniu reduce semnificativ conductivitatea termică a materialului, menținând în același timp proprietățile electrice, care este o combinație ideală pentru aplicații termoelectrice”, explică dr. Dan Buka, șeful grupului de cercetare la Centrul de Cercetare Jülich. Confirmarea experimentală a conductibilității termice scăzute a rețelei, publicată în revista ACS Applied Energy Materials, evidențiază potențialul mare al acestor aliaje de GeSn ca materiale termoelectrice. Ideea din spatele acesteia: prin încorporarea acestor aliaje în cipuri de computer pe bază de siliciu, este posibil să se valorifice căldura reziduală generată în timpul funcționării și să o transforme înapoi în energie electrică. Recoltarea energiei pe cip poate reduce semnificativ nevoia de răcire externă și energie, ceea ce duce la dispozitive IT mai durabile și mai eficiente.

În plus, elementele grupului IV, cunoscute și sub numele de grup de siliciu, formează baza oricărui dispozitiv electronic, iar prin exploatarea proprietăților lor de aliaj, domeniile de aplicare se extind acum pentru a include materiale termoelectrice, fotonica și spintronica. Integrarea fără întreruperi a materialelor fotonice, electronice și termoelectrice pe același cip este un obiectiv ambițios pe termen lung pentru tehnologia bazată pe siliciu. Prin combinarea acestor domenii, este posibilă nu numai îmbunătățirea performanței dispozitivelor, ci și sprijinirea dezvoltării unor tehnologii mai durabile.

„Am făcut un pas foarte important în această lucrare”, spune profesorul Giovanni Cappellini, lider de proiect la IHP, „Am evaluat unul dintre cei mai importanți parametri ai materialelor termoelectrice, și anume conductivitatea termică, folosind o gamă de tehnici experimentale diferite pe straturi. probe cu diferite compoziții și grosimi de aliaje.” . „Cercetarea noastră comună poate avea un impact semnificativ în domeniul infrastructurilor „verzi””.

Grupurile de cercetare de la Forschungszentrum Jülich și IHP își continuă colaborarea de succes. Acesta își propune să dezvolte în continuare materialul prin extinderea compoziției aliajului pentru a include SiGeSn și aliajele Grupului IV CSiGeSn și fabricarea unui dispozitiv termoelectric funcțional pentru a demonstra capacitățile de colectare a energiei ale aliajelor din Grupa IV. Activitatea este susținută financiar de un grant DFG recent acordat „SiGeSn Alloys for Room-Temperature Energy Harvesting”. În plus, această activitate a FZJ este susținută parțial de Consiliul de Administrație prin proiectul de colaborare de doctorat „CMOS energy harvesting for big data applications”.

Publicație originală: Room-Temperature Lattice Thermal Conductivity of GeSn Alloys, de Omar Concepcion, Johnny Tiscarino Ramírez, Ada Angela Chimenti, Thomas Klassen, Agnieszka Anna Corli Wisiak, Andrea Tomadin, David Spirito, Dario Bisignano, Patrizio Graziosi, Zoran Iconic și Qing Tai Zhao, Detlev Grutzmacher, Giovanni Cappellini, Stefano Rodaro, Michele Virgilio* și Dan Bocca, ACS Appl. Material energetic. 2024, 7, 10, 4394-4401, DOI: 10.1021/acsaem.4c00275