Mark Lee, directeur du département de physique de la Faculté des sciences naturelles et mathématiques, explique ses recherches sur la capacité de récupération thermoélectrique des « nanolames » de silicium. Crédit : Université du Texas à Dallas
Un physicien de l’Université du Texas à Dallas s’est associé à Texas Instruments Inc. pour concevoir une meilleure façon pour l’électronique de convertir la chaleur perdue en énergie réutilisable.
Le projet de collaboration a démontré que la capacité du silicium à capter l’énergie de la chaleur peut être grandement augmentée tout en restant productible en masse.
Mark Lee, professeur et chef du département de physique de la School of Natural Sciences and Mathematics, est l’auteur d’une étude publiée le 15 juillet dans Nature Electronics qui décrit les résultats. Les résultats pourraient grandement influencer la façon dont les circuits sont refroidis dans l’électronique, ainsi que fournir une méthode d’alimentation des capteurs utilisés dans l' » Internet des objets » en plein développement.
« Les détecteurs vont partout maintenant. Ils ne peuvent pas être branchés en permanence, ils doivent donc consommer très peu d’énergie « , explique Mark Lee. « Sans une source de lumière fiable pour l’énergie photovoltaïque, vous avez besoin d’une sorte de batterie, qui ne devrait pas avoir à être remplacée. »
La production thermoélectrique est une source d’énergie très verte, convertissant une différence de température en énergie électrique.
« D’une manière générale, la chaleur perdue est partout : la chaleur produite par le moteur de votre voiture, par exemple « , souligne Mark Lee. « Cette chaleur se dissipe normalement. Si vous avez une différence de température constante, même minime, vous pouvez récupérer un peu de chaleur pour faire fonctionner vos appareils électroniques. »
Les capteurs encastrés sous un carrefour sont un exemple d’énergie thermoélectrique pratique.
« La chaleur provenant de la friction des pneus et de la lumière du soleil peut être récoltée parce que le matériau sous la route est plus froid « , insiste Mark Lee. « Donc personne n’a besoin de déterrer ça pour changer une batterie. »
Les principaux obstacles à la récolte thermoélectrique à grande échelle ont été l’efficacité et le coût, a-t-il dit.
« La production thermoélectrique a été coûteuse, tant en termes de coût par appareil que de coût par watt d’énergie produite « , précise Mark Lee. « Les meilleurs matériaux sont assez exotiques – ils sont rares ou toxiques – et ils ne sont pas facilement compatibles avec la technologie de base des semi-conducteurs. »
Le silicium, sur lequel repose tant de technologie, est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre. Depuis les années 1950, on sait qu’il s’agit d’un matériau thermoélectrique de mauvaise qualité sous sa forme cristalline en vrac. Mais en 2008, de nouvelles recherches ont montré que le silicium se comportait beaucoup mieux comme un nanofil – une forme de filament avec deux de ses trois dimensions inférieures à 100 nanomètres. A titre de comparaison, une feuille de papier a une épaisseur d’environ 100 000 nanomètres.
« Au cours de la décennie qui a suivi ces expériences, cependant, les efforts visant à fabriquer un générateur thermoélectrique au silicium utile n’ont pas été couronnés de succès « , dit Mark Lee.
L’une des barrières est que le nanofil est trop petit pour être compatible avec les procédés de fabrication de puces. Pour surmonter ce problème, Mark Lee et son équipe se sont appuyés sur des « nanolames » – seulement 80 nanomètres d’épaisseur, mais plus de huit fois plus que la largeur. Bien qu’il soit encore beaucoup plus mince qu’une feuille de papier, il est compatible avec les règles de fabrication des puces.
Hal Edwards, co-auteur de l’étude et TI Fellow chez Texas Instruments, a conçu et supervisé la fabrication des dispositifs prototypes. Il s’est tourné vers Mark Lee et l’University of Texas Dallas pour étudier plus avant ce que les appareils pourraient faire.
Cette station de sonde électronique à vide teste les circuits thermoélectriques construits par les chercheurs. Une plaquette de silicium avec des circuits thermoélectriques est visible en son centre. Crédit : Université du Texas à Dallas
« Une plongée en profondeur pour ces nouvelles mesures, ces analyses détaillées et ces comparaisons bibliographiques nécessite un groupe universitaire « , a déclaré M. Edwards. « L’analyse du professeur Lee a identifié des paramètres clés dans lesquels notre technologie silicium à bas prix rivalise favorablement avec les semi-conducteurs composés plus exotiques. »
Lee a expliqué que la forme de la nanolame perd une certaine capacité thermoélectrique par rapport au nanofil.
« Cependant, en utiliser plusieurs à la fois peut générer à peu près autant d’énergie que les meilleurs matériaux exotiques, avec la même surface et la même différence de température, » dit-il.
La solution de conception de circuits de l’équipe combinait une compréhension de la physique à l’échelle nanométrique à des principes d’ingénierie. L’une des principales constatations était que certaines tentatives antérieures avaient échoué parce qu’on avait utilisé trop de matériel.
« Lorsque vous utilisez trop de silicium, le différentiel de température qui alimente la génération diminue « , a dit M. Lee. « Trop de chaleur perdue est utilisée et, à mesure que cette marge chaude à froide diminue, vous ne pouvez plus produire autant d’énergie thermoélectrique.
« Il y a un bon point que nous sommes beaucoup plus près de trouver avec nos nanolames que n’importe qui d’autre. Le changement de forme du silicium étudié a changé la donne « , a-t-il ajouté.
M. Lee a déclaré que la technologie avancée de traitement du silicium de Texas Instruments permet la fabrication efficace et peu coûteuse d’un grand nombre de ces appareils.
« Vous pouvez vivre avec une réduction de 40 % de la capacité thermoélectrique par rapport aux matériaux exotiques parce que votre coût par watt a généré de fortes baisses « , dit-il. « Le coût marginal est 100 fois inférieur. »
Gangyi Hu Ph.D.’19, qui a terminé son doctorat en physique à l’UT Dallas en mai, est l’auteur principal de cette étude. Il a produit la modélisation informatique pour déterminer le nombre de nanolames par unité de surface qui produiront le plus d’énergie sans réduire la différence de température.
« Nous avons optimisé la configuration de nos appareils pour les placer parmi les générateurs thermoélectriques les plus efficaces au monde « , a déclaré Hu. « Parce que c’est du silicone, il reste peu coûteux, facile à installer, sans entretien, durable et potentiellement biodégradable. »
M. Lee a déclaré que le travail était également nouveau parce qu’ils utilisaient une chaîne de fabrication industrielle automatisée pour fabriquer les générateurs thermoélectriques à circuit intégré en silicium.
« Nous voulons intégrer cette technologie avec un microprocesseur, avec un capteur sur la même puce, avec un amplificateur ou une radio, etc. Notre travail s’est fait dans le contexte de l’ensemble des règles qui régissent tout ce qui entre dans la production en série de puces « , précise Mark Lee. « Chez Texas Instruments, c’est la différence entre une technologie qu’ils peuvent utiliser et une autre non. »
Hal Edwards s’est porté garant des multiples avantages de la collaboration avec UT Dallas, y compris le recrutement.
« Je trouve que mes collaborations avec le groupe du professeur Lee sont très précieuses « , a déclaré M. Edwards. « J’apprécie également la possibilité de bien connaître les étudiants, afin de les aider à trouver des postes au sein de TI. Un de mes proches collègues de TI était l’étudiant au doctorat du professeur Lee lors d’une de nos collaborations précédentes. »
