Le développement de technologies plus performantes et durables réclame une optimisation de la dissipation thermique dans les systèmes microélectroniques. Une étude récente révèle une méthode innovante utilisant un réseau périodique de nanofils de silicium courbés.
La dissipation thermique représente un enjeu majeur pour les systèmes électroniques de plus en plus denses et miniaturisés. Les recherches actuelles se concentrent sur des matériaux capables de conduire la chaleur dans une direction privilégiée, un phénomène connu sous le nom de conduction thermique anisotrope. Les semiconducteurs nanostructurés, tels que les nanofils de silicium, apparaissent comme des candidats prometteurs pour cette gestion thermique.
Le rôle des nanofils de silicium courbés
Une équipe de scientifiques du Laboratoire de systèmes micro-mécatroniques intégrés (LIMMS, CNRS/Université de Tokyo) et de l’Université de Tokyo a mené des expériences sur un dispositif de dissipation anisotrope de la chaleur, constitué d’un réseau périodique de nanofils de silicium courbés.
Grâce à des techniques de lithographie par faisceau d’électrons et de gravure du silicium, les chercheurs ont créé un réseau inspiré du motif oriental de vagues marines « Seigaiha ».
Dans ce réseau, la conduction thermique, résultant de la propagation des phonons dans le matériau, a été étudiée dans deux directions : parallèle ou perpendiculaire à l’orientation des vagues. La conductivité thermique a été mesurée dans ces deux directions à l’aide de la technique de micro thermoréflectance (µ-TDTR).
L’expérience, réalisée en faisant varier la température de l’échantillon entre 4K et 300K, a montré que l’anisotropie thermique du matériau s’inverse à une température de 80K. Les simulations numériques ont permis de mieux comprendre le mécanisme de ce phénomène, révélant des zones à flux thermique nul selon l’orientation des motifs et la température.
Deux régimes de propagation des phonons
La simulation du déplacement des phonons dans le réseau de fils nanométriques a mis en évidence deux types de propagation : aux températures élevées, le transport thermique est diffusif en raison des nombreuses collisions entre phonons, tandis qu’aux basses températures, le régime est dit « quasi-balistique » en raison du faible nombre de collisions.
La transition entre ces deux régimes s’effectue à 80K, expliquant l’inversion de l’anisotropie thermique à cette température.
Les résultats obtenus ouvrent la voie à une gestion thermique directionnelle des systèmes électroniques. Les chercheurs suggèrent que ces dispositifs peuvent être améliorés en utilisant d’autres matériaux, en modifiant la géométrie du motif nanométrique, ou encore en optimisant le réseau de nanofils grâce à des techniques d’intelligence artificielle telles que les algorithmes génétiques et le machine learning.
Article : Anisotropy Reversal of Thermal Conductivity in Silicon Nanowire Networks Driven by Quasi-Ballistic Phonon Transport. Byunggi Kim, Félix Barbier-Chebbah, Yohei Ogawara, Laurent Jalabert, Ryoto Yanagisawa, Roman Anufriev, and Masahiro Nomura. ACS Nano, publié le 04/04/2024. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12767
La technique de TDTR (Time-domain thermoreflectance) permet de déterminer la conductivité thermique de matériaux, notamment des films minces, en mesurant la variation de leur réflectance (proportion de lumière réfléchie) pendant que le matériau est chauffé.
