Une nouvelle ère dans la gestion de la chaleur : l’UCLA dévoile un révolutionnaire transistor thermique à l’état solide

Patrick Lesggie

Les chercheurs de l’UCLA ont dévoilé un nouveau transistor thermique à l’état solide qui contrôle efficacement le mouvement de chaleur des semi-conducteurs en utilisant un champ électrique, marquant ainsi une avancée significative dans la gestion de la chaleur des puces informatiques et des applications potentielles dans la régulation de la chaleur du corps humain. Illustration d’un transistor thermique à l’état solide développé par l’UCLA utilisant un champ électrique pour contrôler le mouvement de chaleur. Crédit : H-Lab/UCLA

Un nouveau dispositif électronique contrôle précisément et rapidement la mise sous ou hors tension de la chaleur.

Une équipe de scientifiques de l’UCLA a dévoilé un transistor thermique stable et entièrement à l’état solide, premier du genre, qui utilise un champ électrique pour contrôler le mouvement de la chaleur d’un dispositif semi-conducteur.

L’étude du groupe, qui a récemment été publiée dans la revue Science, détaille le fonctionnement du dispositif et ses applications potentielles. Avec une vitesse et des performances exceptionnelles, le transistor pourrait ouvrir de nouvelles frontières dans la gestion de la chaleur des puces informatiques grâce à une conception au niveau atomique et à du génie moléculaire. Cette avancée pourrait également améliorer la compréhension de la régulation de la chaleur dans le corps humain.

Un bond en avant dans la technologie de la gestion de la chaleur

“Un contrôle précis de la façon dont la chaleur circule à travers les matériaux est un rêve depuis longtemps mais difficile à atteindre pour les physiciens et les ingénieurs”, a déclaré Yongjie Hu, co-auteur de l’étude et professeur de génie mécanique et aérospatial à l’école d’ingénierie Samueli de l’UCLA. “Ce nouveau principe de conception fait un grand pas dans cette direction, car il gère le mouvement de la chaleur avec la mise sous et hors tension d’un champ électrique, tout comme il est fait avec les transistors électriques depuis des décennies”. 

Les transistors électriques sont les blocs de construction fondamentaux des technologies de l’information modernes. Ils ont été développés pour la première fois par les Bell Labs dans les années 1940 et comportent trois terminaux – une grille, une source et une sortie. Lorsqu’un champ électrique est appliqué à travers la grille, il régule le mouvement de l’électricité (sous forme d’électrons) à travers la puce. Ces dispositifs semi-conducteurs peuvent amplifier ou commuter des signaux électriques et leur puissance. Mais à mesure qu’ils rétrécissent au fil des ans, des milliards de transistors peuvent tenir sur une puce, générant ainsi plus de chaleur due au mouvement des électrons, ce qui affecte les performances de la puce. Les dissipateurs de chaleur conventionnels évacuent passivement la chaleur des points chauds, mais il est resté difficile de trouver un moyen plus dynamique de réguler activement la chaleur.

Surmonter les limites précédentes

Alors qu’il y a eu des efforts pour ajuster la conductivité thermique, leurs performances ont souffert en raison de la dépendance à des pièces mobiles, des mouvements ioniques ou des composants de solution liquide. Cela a entraîné des vitesses de commutation lentes pour le mouvement de la chaleur, de l’ordre de quelques minutes ou beaucoup plus lent, créant des problèmes de fiabilité des performances ainsi que d’incompatibilité avec la fabrication de semi-conducteurs.

Le nouveau transistor thermique, qui se vante d’un effet de champ (la modulation de la conductivité thermique d’un matériau par l’application d’un champ électrique externe) et tout à l’état solide (pas de pièces mobiles), offre des performances élevées et une compatibilité avec les circuits intégrés dans les processus de fabrication de semi-conducteurs. La conception de l’équipe intègre l’effet de champ sur les dynamiques de charge à une interface atomique pour permettre des performances élevées en utilisant une puissance négligeable pour commuter et amplifier de manière continue un flux thermique.

Des performances record et des applications potentielles

L’équipe de l’UCLA a démontré l’existence de transistors thermiques électriquement commandés qui ont atteint une performance record avec une vitesse de commutation de plus d’1 mégahertz, soit 1 million de cycles par seconde. Ils ont également offert une 1 300 % de réglabilité dans la conductance thermique et des performances fiables pendant plus d’1 million de cycles de commutation.

“Ce travail est le résultat d’une collaboration formidable qui nous permet d’utiliser notre compréhension détaillée des molécules et des interfaces pour faire un grand pas en avant dans le contrôle des propriétés importantes des matériaux avec un potentiel d’impact réel”, a déclaré le co-auteur Paul Weiss, professeur de chimie et de biochimie. “Nous avons pu améliorer à la fois la vitesse et la taille de l’effet de commutation thermique de plusieurs ordres de grandeur par rapport à ce qui était possible auparavant”.

Dans la conception de preuve de concept de l’équipe, une interface moléculaire auto-assemblée est fabriquée et sert de conduit pour le mouvement de chaleur. La mise sous et hors tension d’un champ électrique par l’intermédiaire d’une grille à troisième terminal contrôle la résistance thermique à travers les interfaces atomiques, permettant ainsi à la chaleur de circuler à travers le matériau avec précision.

Les chercheurs ont validé les performances du transistor avec des expériences de spectroscopie et ont mené des calculs théoriques de premiers principes qui ont pris en compte les effets de champ sur les caractéristiques des atomes et des molécules.

L’étude présente une innovation technologique évolutive pour une énergie durable dans la fabrication et les performances des puces. Hu a suggéré que ce concept offre également un nouveau moyen de comprendre la gestion de la chaleur dans le corps humain.

“Au niveau fondamental, la plateforme pourrait fournir des informations sur les mécanismes moléculaires des cellules vivantes”, a ajouté Hu.

Référence : “Electrically gated molecular thermal switch” de Man Li, Huan Wu, Erin M. Avery, Zihao Qin, Dominic P. Goronzy, Huu Duy Nguyen, Tianhan Liu, Paul S. Weiss and Yongjie Hu, 2 novembre 2023, Science.

D’autres auteurs de l’article – tous de l’UCLA – comprennent Man Li, Huan Wu, Erin Avery, Zihao Qin, Dominic Goronzy, Huu Duy Nguyen et Tianhan Liu. Hu et Weiss sont également affiliés à l’Institut de nanosystèmes de Californie, ainsi qu’aux départements de bio-ingénierie et de science et génie des matériaux de la Samueli School of Engineering de l’UCLA.

La recherche a été soutenue par des subventions du National Institutes of Health, de l’Alfred P. Sloan Foundation et de la National Science Foundation. Un appui technique a été fourni par le Nanolab de l’UCLA et l’Institut de nanosystèmes de Californie de l’UCLA. Les ressources de calcul ont été fournies par l’Institut de recherche et d’éducation numériques de l’UCLA et par le réseau de coordination de l’écosystème de cyberinfrastructure avancé : services & support.