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Une équipe internationale réunissant des chercheurs de l'Institut Pprime, du laboratoire franco-japonais LIMMS, de l'université de Tokyo et du CEMHTI, a montré expérimentalement que la conductivité thermique dans des couches ultra-minces de nitrure de silicium est due à des quasi-particules, appelées phonons-polaritons de surface. Une voie pour améliorer la dissipation thermique dans les dispositifs électroniques et photoniques de taille nanométrique. Les résultats sont publiés dans Science Advances.
Génération et propagation de phonon-polaritons de surface (PhPS): L'excitation thermique d'une couche mince polaire (par exemple SiN) provoque la fluctuation de ses dipôles électriques microscopiques qui émettent un champ électromagnétique nommé PhPS (lignes bleues). Ce champ induit l'excitation des dipôles voisins qui maintiennent sa propagation le long du film principalement. Cette propagation est entraînée par l'absorption d'énergie du film, ce qui génère un courant thermique associé aux PhPS le long du film.
©Jose ORDONEZ-MIRANDA, Institut Pprime, CNRS
L'un des principaux défis posés par la miniaturisation des dispositifs électroniques est la dissipation thermique. En effet, quand la taille des structures diminue, les phonons acoustiques, principaux transporteurs de la chaleur, sont de plus en plus diffusés sur les surfaces: la dissipation thermique est moins efficace, ce qui provoque des surchauffes et des risques d'endommagement du dispositif. Des chercheurs de l'Institut Pprime (CNRS/université de Poitiers), du laboratoire franco-japonais LIMMS (CNRS/Université de Tokyo), de l'université de Tokyo et du CEMHTI (CNRS/Université d'Orléans), proposent d'utiliser un nouveau mode de dissipation de la chaleur dans des structures de taille nanométrique, basée non plus sur les phonons, mais sur la conductivité thermique par des quasi-particules appelées phonons-polaritons de surface.
L'équipe a travaillé sur des couches ultra-minces de nitrure de silicium (SiN amorphe, un matériau diélectrique polaire). Des mesures expérimentales dans des membranes de SiN d'épaisseur inférieure à 100 nm ont montré que la conductivité thermique du matériau augmente avec la température. Ainsi, dans une membrane de SiN de moins de 50 nm d'épaisseur, la conductivité thermique double quand la température passe de 300 K à 800 K. Ce phénomène ne peut être dû au transport de chaleur par des phonons, qui au contraire diminue avec la température. Une analyse théorique a montré que cette croissance de la conductivité thermique avec la température, dans ces couches ultra-minces, est la "signature" d'une conduction par des phonons-polaritons de surface.
Les chercheurs ont ainsi mis en évidence un nouveau canal de dissipation thermique qui compense la perte de conductivité par les phonons dans les structures nanométriques. Ces résultats posent les bases d'une nouvelle voie pour résoudre les problèmes de surchauffes des dispositifs microélectroniques ou photoniques sur silicium. De nouvelles recherches sont en cours pour étudier l'influence de la géométrie des couches minces sur les propriétés thermiques, et ainsi optimiser la conductivité par les phonons-polaritons de surface.
Références:
Enhanced thermal conduction by surface phonon-polaritons
Y. Wu, J. Ordonez-Miranda, S. Gluchko, R. Anufriev, D. De Sousa Meneses, L. Del.
Campo, S. Volz, and M. Nomura.
Science Advances (Sept 2020)
https://doi.org/10.1126/sciadv.abb4461
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