新材料为片上能量收集铺平道路

2024 年 7 月 8 日

来自德国、意大利和英国的研究人员在开发适合片上能量收集的材料方面取得了重大进展。 通过制造一种由硅、锗和锡制成的合金，他们能够制造出一种热电材料，有望将计算机处理器的废热转化回电能。 由于所有元素均来自元素周期表第四主族，这些新型半导体合金可以轻松融入 CMOS 芯片生产工艺中。 研究成果登上著名科学期刊ACS Applied Energy Materials的封面。

我们生活的各个方面越来越多地使用电子设备，导致能源消耗增加。 大部分能量以热量的形式消散到环境中。 在欧洲，每年约有 1.2 艾焦耳的低品热被 IT 基础设施和设备（例如数据中心和智能设备）浪费。 这大致相当于奥地利或罗马尼亚的一次能源消耗量。 由于热力学效率差和技术限制，这种低于 80 °C 的低温度传统上具有挑战性。

因此，直接利用计算机处理器的低热量似乎是理想的解决方案。 但可用于将热量转化为电能的材料非常少，而且它们都不与半导体制造工厂的现有技术兼容。

于利希研究中心与德国 IHP – 莱布尼茨高性能微电子研究所、比萨大学、意大利博洛尼亚大学和英国利兹大学的研究合作已进入重要发展阶段适合片上能量收集的材料与CMOS工艺兼容来生产Slide。

“在锗中添加锡可显着降低材料的热导率，同时保持其电性能，这是热电应用的理想组合，”于利希研究中心研究小组负责人 Dan Buka 博士解释道。 晶格低导热率的实验证实发表在《ACS Applied Energy Materials》杂志上，凸显了这些 GeSn 合金作为热电材料的巨大潜力。 其背后的想法是：通过将这些合金融入硅基计算机芯片中，可以利用运行过程中产生的废热并将其转换回电能。 片上能量收集可以显着减少对外部冷却和电力的需求，从而实现更可持续、更高效的 IT 设备。

此外，第四族元素（也称为硅族）构成了任何电子器件的基础，通过利用其合金特性，应用领域现已扩展到热电材料、光子学和自旋电子学。 将光子学、电子学和热电材料无缝集成在同一芯片上是硅基技术的一个雄心勃勃的长期目标。 通过结合这些领域，不仅可以提高设备的性能，还可以支持更可持续技术的开发。

IHP 项目负责人 Giovanni Cappellini 教授表示：“我们在这篇论文中迈出了非常重要的一步，我们使用一系列不同的分层实验技术评估了热电材料最重要的参数之一，即导热率。具有不同合金成分和厚度的样品。” “我们的联合研究可以在‘绿色 IT’基础设施领域产生重大影响。”

于利希研究中心和 IHP 的研究小组继续开展成功的合作。 它的目标是通过扩大合金成分以包括 SiGeSn 和 IV 族合金 CSiGeSn 来进一步开发该材料，并制造功能性热电器件以展示 IV 族合金的能量收集能力。 该活动得到了最近授予的 DFG 赠款“用于室温能量收集的 SiGeSn 合金”的财政支持。 此外，FZJ的这项活动还得到了董事会通过合作博士项目“大数据应用的CMOS能量收集”的部分支持。

原始出版物：GeSn 合金的室温晶格热导率，作者：Omar Concepcion、Johnny Tiscarino Ramírez、Ada Angela Chimenti、Thomas Klassen、Agnieszka Anna Corli Wisiak、Andrea Tomadin、David Spirito、Dario Bisignano、Patrizio Graziosi、Zoran Iconic 和 Qing Tai Zhao、Detlev Grutzmacher、Giovanni Cappellini、Stefano Rodaro、Michele Virgilio* 和 Dan Bocca，ACS 应用。 能源材料。 2024, 7, 10, 4394-4401, DOI：10.1021/acsaem.4c00275