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2024-07-08 12:04:00
2024年7月8日
ドイツ、イタリア、英国の研究者らは、オンチップエネルギーハーベスティングに適した材料の開発で大きな進歩を遂げました。シリコン、ゲルマニウム、スズからなる合金を合成することで、コンピュータープロセッサの廃熱を電気に戻すことが期待される熱電材料を作り出すことができました。すべての元素が周期表の第 4 主要グループに属しているため、この新しい半導体合金はチップ製造の CMOS プロセスに簡単に統合できます。この研究結果は、有名な科学雑誌 ACS Applied Energy Materials の表紙を飾りました。
表紙 ACS Applied Energy MaterialsCopyright: – ACS Appl. Energy Mater. 2024、第 7 巻、第 13 号 (CC-BY 4.0)
私たちの生活のあらゆる側面で電子機器の使用が増え、エネルギー消費が増加しています。このエネルギーのほとんどは、熱の形で環境に放出されます。ヨーロッパでは、データセンターやスマートデバイスなどのITインフラストラクチャとデバイスから、年間約1.2エクサジュールの低温熱が無駄になっています。これは、オーストリアやルーマニアの一次エネルギー消費量とほぼ同等です。80°C未満のこの低品位熱は、熱力学的効率の悪さと技術的な制約のため、従来は利用が困難でした。
したがって、低温の熱をコンピューターのプロセッサーに直接利用することが理想的な解決策であると思われます。しかし、熱を電気エネルギーに変換できる材料はごくわずかであり、そのどれもが半導体製造工場の現在の技術と互換性がありません。
ドイツのユーリッヒ研究センターとIHP（ライプニッツ高性能マイクロエレクトロニクス研究所）と、イタリアのピサ大学、ボローニャ大学、英国のリーズ大学との共同研究により、チップ製造のCMOSプロセスと互換性のあるオンチップエネルギーハーベスティングに適した材料の開発において画期的な成果が達成されました。
「ゲルマニウムにスズを加えると、材料の熱伝導率が大幅に低下しますが、電気特性は維持されます。これは熱電用途に理想的な組み合わせです」と、ユーリッヒ研究センターの研究グループリーダーであるダン・ブカ博士は説明します。ACS Applied Energy Materials で発表された、格子熱伝導率が低いという実験的確認は、これらの GeSn 合金が熱電材料として大きな可能性を秘めていることを浮き彫りにしています。その背後にあるアイデアは、これらの合金をシリコンベースのコンピューター チップに統合することで、動作中に発生する廃熱を利用して電気エネルギーに戻すことができるというものです。このオンチップ エネルギー ハーベスティングにより、外部冷却と電源の必要性が大幅に軽減され、より持続可能で効率的な IT デバイスが実現します。
熱電素子の詳細:
熱電素子は温度差を直接電気エネルギーに変換します。熱電材料に温度勾配があると、電荷キャリアの流れが誘発され、電気が生成されます。このプロセスは、電子機器の廃熱を捕捉してリサイクルし、それを使用可能なエネルギーに変換して、全体的なエネルギー消費を削減するために使用できます。
熱電材料の場合、熱伝導率が低いほど、効率的なエネルギー変換に不可欠な温度勾配を大きくできるため望ましいです。熱伝導率が低い GeSn 合金は、この勾配を作り出すのに優れており、熱電性能を高めます。
さらに、シリコン グループとしても知られるグループ IV 元素は、あらゆる電子デバイスの基礎を形成し、その合金特性を活用することで、熱電、フォトニクス、スピントロニクスを含むアプリケーション領域が拡大しています。フォトニクス、エレクトロニクス、熱電を同じチップ上にモノリシックに統合することは、シリコン ベース テクノロジーの野心的な長期目標です。これらの分野を組み合わせることで、デバイスの性能を向上させるだけでなく、より持続可能なテクノロジーの開発をサポートすることもできます。
「この論文で、私たちは非常に重要な一歩を踏み出しました。私たちは、さまざまな合金組成と厚さを持つエピタキシャルサンプルに対して、一連のさまざまな実験技術を使用して、熱電材料の最も重要なパラメータの1つである熱伝導率を評価しました」と、IHPのプロジェクトリーダーであるジョバンニ・カペリーニ教授は述べています。「私たちの共同研究は、「グリーンIT」インフラストラクチャの分野に大きな影響を与える可能性があります。」
ユーリッヒ研究センターと IHP の研究グループは、引き続き協力関係を続けています。彼らは、合金組成を SiGeSn と究極のグループ IV 合金 CSiGeSn に拡張して材料をさらに開発し、グループ IV 合金のエネルギー収集能力を実証する機能的な熱電デバイスを製造することを目指しています。この活動は、新たに授与された DFG 助成金「室温でのエネルギー収集のための SiGeSn 合金」によって財政的にサポートされています。さらに、FZJ のこの活動は、共同博士課程プロジェクト「ビッグ データ アプリケーションのための CMOS エネルギー収集」を通じて、取締役会によって部分的にサポートされています。
元の出版物: GeSn 合金の室温格子熱伝導率、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 著Tai Zhao、Detlev Grützmacher、Giovanni Capellini、Stefano Roddaro、Michele Virgilio*、Dan Buca、ACS Appl. エネルギーメーター。 2024、7、10、4394-4401、 DOI: 10.1021/acsaem.4c00275
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