Da Riccardo Auriemma 
8 luglio 2024
Ricercatori provenienti da Germania, Italia e Regno Unito hanno compiuto progressi significativi nello sviluppo di materiali adatti alla raccolta di energia su chip. Creando una lega composta da silicio, germanio e stagno, sono riusciti a creare un materiale termoelettrico, promettendo di riconvertire il calore di scarto dei processori dei computer in elettricità. Poiché tutti gli elementi provengono dal quarto gruppo principale della tavola periodica, queste nuove leghe di semiconduttori possono essere facilmente incorporate nel processo di produzione dei chip CMOS. I risultati della ricerca sono finiti sulla copertina della famosa rivista scientifica ACS Applied Energy Materials.
Il crescente utilizzo di dispositivi elettronici in tutti gli aspetti della nostra vita porta ad un aumento del consumo di energia. La maggior parte di questa energia viene dissipata nell’ambiente sotto forma di calore. In Europa, ogni anno circa 1,2 exajoule di calore di bassa qualità vengono sprecati da infrastrutture e dispositivi IT, come data center e dispositivi intelligenti. Ciò equivale all’incirca al consumo di energia primaria di Austria o Romania. Questa temperatura bassa, inferiore a 80 °C, è tradizionalmente impegnativa a causa della scarsa efficienza termodinamica e delle limitazioni tecnologiche.
Pertanto, sfruttare il basso calore direttamente nei processori dei computer sembra essere la soluzione ideale. Ma i materiali disponibili per convertire il calore in energia elettrica sono molto pochi e nessuno di essi è compatibile con l’attuale tecnologia degli impianti di produzione di semiconduttori.
La collaborazione di ricerca tra Forschungszentrum Jülich e IHP – Leibniz Institute for High Performance Microelectronics in Germania, in collaborazione con l’Università di Pisa, l’Università di Bologna in Italia e l’Università di Leeds nel Regno Unito, ha raggiunto una fase importante nello sviluppo materiali adatti alla raccolta di energia su chip compatibili con il processo CMOS per produrre Slide.
“L’aggiunta di stagno al germanio riduce significativamente la conduttività termica del materiale pur mantenendo le sue proprietà elettriche, che è una combinazione ideale per applicazioni termoelettriche”, spiega il dottor Dan Buka, capo del gruppo di ricerca presso il Centro di ricerca Jülich. La conferma sperimentale della bassa conduttività termica del reticolo, pubblicata sulla rivista ACS Applied Energy Materials, evidenzia il grande potenziale di queste leghe GeSn come materiali termoelettrici. L’idea alla base: incorporando queste leghe nei chip dei computer a base di silicio, è possibile sfruttare il calore disperso generato durante il funzionamento e riconvertirlo in energia elettrica. La raccolta di energia su chip può ridurre significativamente la necessità di raffreddamento e alimentazione esterni, portando a dispositivi IT più sostenibili ed efficienti.
Maggiori informazioni sugli elementi termoelettrici:
L’elemento termoelettrico converte le differenze di temperatura direttamente in energia elettrica. Quando c’è un gradiente di temperatura attraverso un materiale termoelettrico, questo stimola il flusso di portatori di carica, generando elettricità. Questo processo può essere utilizzato per catturare e riciclare il calore di scarto nei dispositivi elettronici, riconvertendolo in energia utilizzabile e riducendo il consumo energetico complessivo.
Per i materiali termoelettrici, è auspicabile una conduttività termica inferiore poiché consente un gradiente di temperatura maggiore, essenziale per un’efficiente conversione dell’energia. Le leghe GeSn, con la loro bassa conduttività termica, eccellono nel creare questo gradiente, che migliora le loro prestazioni termoelettriche.
Inoltre, gli elementi del gruppo IV, noti anche come gruppo del silicio, costituiscono la base di qualsiasi dispositivo elettronico e, sfruttando le proprietà delle loro leghe, le aree di applicazione si stanno ora espandendo per includere materiali termoelettrici, fotonica e spintronica. La perfetta integrazione di fotonica, elettronica e materiali termoelettrici sullo stesso chip è un obiettivo ambizioso a lungo termine per la tecnologia basata sul silicio. Combinando queste aree, è possibile non solo migliorare le prestazioni dei dispositivi, ma anche sostenere lo sviluppo di tecnologie più sostenibili.
“Con questo articolo abbiamo fatto un passo molto importante”, afferma il professor Giovanni Cappellini, responsabile del progetto IHP. “Abbiamo valutato uno dei parametri più importanti per i materiali termoelettrici, vale a dire la conduttività termica, utilizzando una serie di diverse tecniche sperimentali su strati. campioni con diverse composizioni e spessori di leghe. “La nostra ricerca congiunta può avere un impatto significativo nel campo delle infrastrutture “IT verdi””.
I gruppi di ricerca del Forschungszentrum Jülich e dell’IHP continuano la loro proficua collaborazione. Mira a sviluppare ulteriormente il materiale espandendo la composizione della lega per includere SiGeSn e le leghe del Gruppo IV CSiGeSn e fabbricando un dispositivo termoelettrico funzionale per dimostrare le capacità di raccolta di energia delle leghe del Gruppo IV. L’attività è supportata finanziariamente da un finanziamento DFG recentemente assegnato “Leghe SiGeSn per la raccolta di energia a temperatura ambiente”. Inoltre, questa attività di FZJ è in parte supportata dal Consiglio di amministrazione attraverso il progetto di dottorato collaborativo “CMOS Energy Harvesting for Big Data Applications”.
Pubblicazione originale: Room Temperature Lattice Thermal Conductivity of GeSn Alloys, di Omar Concepcion, Johnny Tiscarino-Ramirez, Ada Angela Chimenti, Tomas Klassen, Agnieszka Anna Corli-Wisiak, Andrea Tomadin, Davide Spirito, Dario Bisignano, Patrizio Graziosi, Zoran Iconic, King Tai Chow, Detlef Grutzmacher, Giovanni Cappellini, Stefano Rodaro, Michele Virgilio* e Dan Bocca, ACS Appl. Materiale energetico. 2024, 7, 10, 4394-4401, DOI: 10.1021/acsaem.4c00275
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