Un nanofil de l’isotope silicium-28 relie deux micro coussinets chauffants lors d’un test sur la capacité du matériau à conduire la chaleur.

Là où il y a de l’électricité, il y a généralement de la chaleur – et c’est un obstacle majeur pour les dispositifs électroniques de plus en plus petits. Les scientifiques ont découvert que les nanofils fabriqués à partir d’un certain isotope de silicium peuvent conduire la chaleur 150 % mieux que le silicium ordinaire, ce qui pourrait permettre de refroidir radicalement les puces électroniques.

Dans un système électronique actif, les courants électriques génèrent beaucoup de chaleur, qui peut endommager les composants si on la laisse s’accumuler. La technologie de refroidissement a donc progressé à un rythme rapide, mais les composants électroniques étant de plus en plus petits, il est de plus en plus difficile de dissiper efficacement la chaleur.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont découvert un nouveau phénomène qui pourrait un jour être utilisé pour fabriquer des puces informatiques dotées de propriétés de refroidissement bien supérieures. La clé est un isotope particulier du silicium, appelé silicium-28 (Si-28). Les isotopes sont des atomes d’un élément particulier qui contiennent un nombre différent de neutrons.

La majorité – environ 92 % – du silicium existe déjà sous forme de Si-28, tandis que 5 % sont des silicones-29 et les 3 % restants des silicones-30. Dans une puce électronique, ces isotopes ont les mêmes fonctions électroniques générales, mais des études antérieures ont révélé que des « impuretés » de Si-29 et de Si-30 peuvent interrompre le flux de chaleur.

Dans le passé, les scientifiques ont constaté que la fabrication de composants en silicium-28 pur en vrac pouvait améliorer la conduction thermique d’environ 10 % – ce qui n’est pas mal, mais ne vaut pas vraiment le coût supplémentaire. Pour cette nouvelle étude, les chercheurs ont examiné dans quelle mesure les nanofils fabriqués en Si-28 pur pouvaient conduire la chaleur.

L’équipe a placé un nanofil de Si-28 mesurant à peine 90 nanomètres de large entre deux microcoussinets chauffants, et a appliqué un courant électrique à l’un d’entre eux afin que la chaleur générée circule à travers le nanofil vers l’autre. Les scientifiques s’attendaient à ce que l’amélioration soit de l’ordre de 20 %, mais à leur grande surprise, les résultats étaient 150 % supérieurs à ceux des nanofils de silicium naturel.

Image au microscope d’un nanofil de silicium-28, avec une couche de dioxyde de silicium formée le long de l’extérieur.

Un examen plus approfondi a révélé qu’une couche de dioxyde de silicium s’était formée sur l’extérieur du nanofil, lissant efficacement une surface habituellement rugueuse qui diffuse la chaleur. À l’intérieur, l’absence de défauts d’autres isotopes a permis à la chaleur de traverser le cœur du nanofil.

Les chercheurs affirment que leurs travaux pourraient ouvrir la voie à de nouvelles puces informatiques capables d’évacuer plus efficacement la chaleur, même à très petite échelle. Il y a toutefois un problème majeur : il reste coûteux et difficile d’isoler le silicium-28 des autres isotopes. Mais des avancées futures pourraient être réalisées dans ce domaine également, surtout avec de nouvelles raisons de le faire.

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.085901

https://newscenter.lbl.gov/2022/05/17/silicon-nanowires-take-the-heat/