Un nuevo material abre el camino a la captación de energía en el chip
Investigadores de Alemania, Italia y el Reino Unido han logrado un gran avance en el desarrollo de materiales adecuados para la captación de energía en el chip. Gracias a una aleación de silicio, germanio y estaño, han creado un material termoeléctrico capaz de transformar el calor residual de los procesadores informáticos en electricidad. Al proceder todos los elementos del 4º grupo principal de la tabla periódica, esta nueva aleación semiconductora puede integrarse fácilmente en el proceso CMOS de producción de chips. Los resultados de la investigación han sido portada de la revista científica ACS Applied Energy Materials.
La carátula indica que, entre las múltiples opciones de elementos y aleaciones disponibles, los semiconductores GeSn del grupo IV tienen la posibilidad de llevar la captación de energía a un chip de Si.
ACS Applied Energy Materials, ACS Volume 7, Issue 13
El creciente uso de dispositivos electrónicos en todos los aspectos de nuestra vida está disparando el consumo de energía. La mayor parte de esta energía se disipa en el medio ambiente en forma de calor. En Europa, las infraestructuras y los dispositivos informáticos, como los centros de datos y los dispositivos inteligentes, desperdician al año alrededor de 1,2 exajulios de calor a baja temperatura. Esto equivale aproximadamente al consumo de energía primaria de Austria o Rumanía. Tradicionalmente, este calor de baja temperatura, inferior a 80 °C, es difícil de aprovechar debido a su escasa eficiencia termodinámica y a las limitaciones tecnológicas.
Por eso, utilizar el calor de baja temperatura directamente para los procesadores informáticos parece una solución ideal. Pero hay muy pocos materiales disponibles para convertir el calor en energía eléctrica, y ninguno de ellos es compatible con la tecnología actual de las plantas de fabricación de semiconductores.
Una colaboración de investigación entre el Forschungszentrum Jülich y el IHP - Instituto Leibniz de Microelectrónica de Altas Prestaciones de Alemania, junto con la Universidad de Pisa, la Universidad de Bolonia (Italia) y la Universidad de Leeds (Reino Unido), ha alcanzado ahora un hito en el desarrollo de materiales adecuados para la captación de energía en el chip que sean compatibles con el proceso CMOS de fabricación de chips.
"La adición de estaño al germanio reduce significativamente la conductividad térmica del material al tiempo que mantiene sus propiedades eléctricas, una combinación ideal para aplicaciones termoeléctricas", explica el Dr. Dan Buca, director del grupo de investigación del Forschungszentrum Jülich. La confirmación experimental de la baja conductividad térmica de la red, publicada en ACS Applied Energy Materials, pone de relieve el gran potencial de estas aleaciones de GeSn como materiales termoeléctricos. La idea subyacente: Al integrar estas aleaciones en chips informáticos basados en silicio, es posible utilizar el calor residual generado durante el funcionamiento y convertirlo de nuevo en energía eléctrica. Esta captación de energía en el chip podría reducir significativamente la necesidad de refrigeración y alimentación externas, lo que daría lugar a dispositivos informáticos más sostenibles y eficientes.
Además, los elementos del Grupo IV, también conocido como el grupo del silicio, forman la base de cualquier dispositivo electrónico y, al explotar sus propiedades de aleación, las áreas de aplicación se están ampliando para incluir la termoelectrónica, la fotónica y la espintrónica. La integración monolítica de la fotónica, la electrónica y la termoelectrónica en un mismo chip es el ambicioso objetivo a largo plazo de la tecnología basada en el silicio. Combinando estos campos, no sólo es posible mejorar el rendimiento de los dispositivos, sino también apoyar el desarrollo de tecnologías más sostenibles.
"En el artículo hemos dado un paso muy importante. Hemos evaluado uno de los parámetros más críticos para un material termoeléctrico, la conductividad térmica, utilizando un conjunto de diferentes técnicas experimentales en muestras epitaxiales con diferentes composiciones de aleación y espesores", afirma el Prof. Giovanni Capellini, director del proyecto en el PHI. "Nuestra investigación conjunta puede tener un impacto considerable en el campo de las infraestructuras ′Green IT′".
Los grupos de investigación del Forschungszentrum Jülich y el IHP prosiguen su fructífera colaboración. Su objetivo es seguir desarrollando el material ampliando la composición de la aleación a SiGeSn y la aleación definitiva del Grupo IV CSiGeSn, y fabricar un dispositivo termoeléctrico funcional para demostrar el potencial de captación de energía de las aleaciones del Grupo IV. La actividad cuenta con el apoyo financiero de una subvención recientemente concedida por la DFG "SiGeSn alloys for energy harvesting at room temperature". Además, esta actividad para FZJ cuenta con el apoyo parcial del Consejo de Administración a través del proyecto de doctorado en colaboración "CMOS energy harvesting for big data applications".
Más información sobre elementos termoeléctricos
Un elemento termoeléctrico convierte las diferencias de temperatura directamente en energía eléctrica. Cuando se produce un gradiente de temperatura en un material termoeléctrico, se induce un flujo de portadores de carga que genera electricidad. Este proceso puede utilizarse para capturar y reciclar el calor residual en dispositivos electrónicos, convirtiéndolo de nuevo en energía utilizable y reduciendo el consumo total de energía.
Para los materiales termoeléctricos, una conductividad térmica más baja es deseable porque permite un mayor gradiente de temperatura, esencial para una conversión eficiente de la energía. Las aleaciones de GeSn, con su conductividad térmica reducida, destacan en la creación de este gradiente, mejorando su rendimiento termoeléctrico.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Omar Concepción, Jhonny Tiscareño-Ramírez, Ada Angela Chimienti, Thomas Classen, Agnieszka Anna Corley-Wiciak, Andrea Tomadin, Davide Spirito, Dario Pisignano, Patrizio Graziosi, Zoran Ikonic, Qing Tai Zhao, Detlev Grützmacher, Giovanni Capellini, Stefano Roddaro, Michele Virgilio, Dan Buca; "Room Temperature Lattice Thermal Conductivity of GeSn Alloys"; ACS Applied Energy Materials, Volume 7, 2024-5-15
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