Quand les électrons transfèrent la chaleur au silicium

Comprendre le transfert de chaleur aux interfaces métal-semiconducteur est crucial en microélectronique. Le bon fonctionnement des dispositifs électroniques nécessite d’éviter la génération de points chauds qui peuvent les dégrader ou les détruire. Par exemple, lorsque leur température interne dépasse un certain seuil, nos téléphones basculent automatiquement de la 5G à la 4G. La génération de points chauds apparaît généralement au sein des puces qui comportent une très grande densité de transistors en contact avec des radiateurs métalliques. La chaleur doit ainsi être évacuée de manière optimale des puces en silicium – un semi-conducteur – vers les radiateurs – métalliques. Du fait de la très grande densité d’interfaces et des dimensions nanométriques, les processus de résistance de la chaleur en volume sont négligeables.  C’est la résistance thermique aux interfaces métal/semiconducteur qui domine ici le transfert de chaleur. 

Certaines thérapies du cancer assistées par nanoparticules métalliques impliquent également le transfert de chaleur aux interfaces métal/semiconducteur. Dans ce processus, les nanoparticules métalliques s’échauffent sous l’effet d’une excitation laser. L’emploi de nanoparticules hétérogènes cœur-coquille métal-silice permet de les chauffer en utilisant un rayonnement infrarouge, car c’est un domaine de longueurs d’onde auxquelles les tissus vivants sont transparents. Ici encore, comprendre le transfert de chaleur aux interfaces métal/semiconducteur est indispensable pour optimiser ces applications.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Institut Lumière Matière (ILM, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1)

• Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (LTDS, CNRS/École Centrale de Lyon/ENTPE)

D’un point de vue fondamental, la résistance thermique d’interface métal/semiconducteur est étudiée expérimentalement depuis deux décennies. La grande majorité de ces expériences a été interprétée à l’aide de modèles théoriques divers, mais reposant tous sur une hypothèse commune : ce sont les phonons – les modes de vibration collectifs des matériaux– qui gouvernent le transfert de chaleur aux interfaces. Dans cette approche, les électrons, bien qu’ils soient les porteurs d’énergie dans le volume des métaux, ne jouent qu’un rôle secondaire. Or, en comparant des prédictions quantiques aux mesures expérimentales, un groupe de physiciens a pu démontrer que le transfert de chaleur à l’interface métal-silicium implique non seulement les phonons mais aussi les électrons. Contrairement aux simulations atomistiques employées jusqu’ici, les chercheurs ont utilisé des calculs quantiques ab initio, ce qui leur a permis de s’affranchir des potentiels empiriques et de prendre pleinement en compte le rôle des électrons. Jusqu’à présent, l’effet des électrons était soit entièrement négligé, soit pris en compte de manière phénoménologique seulement. 

Ces calculs quantiques ont montré que le paramètre qui contrôle le couplage entre les électrons du métal et les phonons du semiconducteur est la fréquence de Debye du métal, qui est reliée au module élastique du matériau. Ces conclusions fournissent ainsi une compréhension microscopique du mécanisme par lequel les électrons d’un métal transfèrent de la chaleur à un semiconducteur. En révélant le mécanisme fondamental de transfert de chaleur à l’interface métal/semiconducteur, ces résultats ouvrent la voie à une meilleure gestion des flux de chaleur, que ce soit pour la régulation des points chauds au sein des dispositifs microélectroniques ou l’optimisation des nanoparticules utilisées dans les thérapies thermiques du cancer. Ce travail est publié dans la revue Physical Review B.