Onderzoekers uit Duitsland, Italië en het Verenigd Koninkrijk hebben een belangrijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van materialen die geschikt zijn voor energieopwekking op een chip. Door een legering te maken van silicium, germanium en tin, konden ze een thermisch elektrisch materiaal creëren dat belooft om de restwarmte van computerprocessors om te zetten in elektriciteit. Aangezien alle elementen afkomstig zijn uit de 4e hoofdgroep van het periodiek systeem, kan deze nieuwe halfgeleiderlegering gemakkelijk worden geïntegreerd in het CMOS-proces van chipproductie. De onderzoeksresultaten hebben de omslag van het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift ACS Applied Energy Materials gehaald.
Het toenemende gebruik van elektronische apparaten in alle aspecten van ons leven verhoogt het energieverbruik. Het merendeel van deze energie wordt als warmte aan de omgeving afgegeven. In Europa wordt jaarlijks ongeveer 1,2 Exajoule aan laaggradige warmte verspild door IT-infrastructuren en apparaten, zoals datacenters en slimme apparaten. Dit komt ruwweg overeen met het primaire energieverbruik van Oostenrijk of Roemenië. Deze laaggradige warmte onder de 80°C is traditioneel moeilijk te benutten vanwege de slechte thermodynamische efficiëntie en technologische beperkingen.
Daarom lijkt het benutten van de laaggradige warmte direct voor computerprocessors een ideale oplossing. Maar er zijn slechts zeer weinig materialen beschikbaar om de warmte om te zetten in elektrische energie, en geen van hen is compatibel met de huidige technologie in halfgeleiderfabrieken.
Een onderzoeksamenwerking tussen Forschungszentrum Jülich en IHP – Leibniz Instituut voor Hoogwaardige Micro-elektronica in Duitsland, samen met de Universiteit van Pisa, de Universiteit van Bologna in Italië, en de Universiteit van Leeds in het Verenigd Koninkrijk, heeft nu een mijlpaal bereikt in de ontwikkeling van geschikte materialen voor energieopwekking op een chip die compatibel zijn met het CMOS-proces van chipproductie.
“Het toevoegen van tin aan germanium vermindert de thermische geleidbaarheid van het materiaal aanzienlijk, terwijl de elektrische eigenschappen behouden blijven, een ideale combinatie voor thermisch elektrische toepassingen”, legt Dr. Dan Buca uit, leider van de onderzoeksgroep bij Forschungszentrum Jülich. De experimentele bevestiging van de lage roosterthermische geleidbaarheid, gepubliceerd in ACS Applied Energy Materials, benadrukt het grote potentieel van deze GeSn-legeringen als thermisch elektrische materialen. Het idee hierachter: Door deze legeringen te integreren in op silicium gebaseerde computerchips, is het mogelijk om de restwarmte die tijdens het gebruik wordt gegenereerd te benutten en terug om te zetten in elektrische energie. Deze energieopwekking op een chip zou de behoefte aan externe koeling en stroom aanzienlijk kunnen verminderen, wat zou leiden tot duurzamere en efficiëntere IT-apparaten.
Bovendien vormen de elementen uit groep IV, ook bekend als de siliciumgroep, de basis van elk elektronisch apparaat, en door hun legeringseigenschappen te benutten, worden de toepassingsgebieden nu uitgebreid naar thermische elektriciteit, fotonica en spintronica. De monolithische integratie van fotonica, elektronica en thermische elektriciteit op dezelfde chip is het ambitieuze langetermijndoel van op silicium gebaseerde technologie. Door deze velden te combineren, is het niet alleen mogelijk om de prestaties van apparaten te verbeteren, maar ook om de ontwikkeling van duurzamere technologieën te ondersteunen.
“In het artikel hebben we een zeer belangrijke stap gezet. We hebben een van de meest kritieke parameters voor een thermisch elektrisch materiaal geëvalueerd, de thermische geleidbaarheid, met behulp van een reeks verschillende experimentele technieken op epitaxiale monsters met verschillende legeringssamenstellingen en diktes”, zegt Prof. Giovanni Capellini, projectleider bij IHP. “Ons gezamenlijke onderzoek kan een aanzienlijke impact hebben op het gebied van ′Groene IT′-infrastructuren.”
De onderzoeksgroepen bij Forschungszentrum Jülich en IHP zetten hun succesvolle samenwerking voort. Ze streven ernaar om het materiaal verder te ontwikkelen door de legeringssamenstelling uit te breiden naar SiGeSn en de uiteindelijke groep IV-legering CSiGeSn, en om een functioneel thermisch elektrisch apparaat te vervaardigen om het energieopwekkingspotentieel van groep IV-legeringen aan te tonen. De activiteit wordt financieel ondersteund door een nieuw toegekende DFG-beurs “SiGeSn-legeringen voor energieopwekking bij kamertemperatuur”. Bovendien wordt deze activiteit voor FZJ gedeeltelijk ondersteund door de Raad van Bestuur via het gezamenlijke PhD-project “CMOS-energieopwekking voor big data-toepassingen”.
Meer over thermisch elektrische elementen: Een thermisch elektrisch element zet temperatuurverschillen direct om in elektrische energie. Wanneer er een temperatuurgradiënt is over een thermisch elektrisch materiaal, induceert dit een stroom van ladingsdragers, waardoor elektriciteit wordt opgewekt. Dit proces kan worden gebruikt om restwarmte in elektronische apparaten op te vangen en terug om te zetten in bruikbare energie, waardoor het totale energieverbruik wordt verminderd.
Voor thermisch elektrische materialen is een lagere thermische geleidbaarheid wenselijk omdat dit een grotere temperatuurgradiënt mogelijk maakt, wat essentieel is voor efficiënte energieomzetting. GeSn-legeringen, met hun verminderde thermische geleidbaarheid, excelleren in het creëren van deze gradiënt, wat hun thermisch elektrische prestaties verbetert.
