新材料为片上能量收集铺平道路

2024 年 7 月 8 日

德国、意大利和英国的研究人员在开发适合芯片上能量收集的材料方面取得了重大进展。通过合成由硅、锗和锡组成的合金，他们能够制造出一种热电材料，有望将计算机处理器的废热转化回电能。由于所有元素都来自元素周期表的第四主族，这些新的半导体合金可以轻松集成到芯片生产的 CMOS 工艺中。这项研究成果登上了著名科学期刊《ACS 应用能源材料》的封面。

电子设备在我们生活的各个方面使用得越来越多，这导致能源消耗增加。这些能源大部分以热量的形式消散到环境中。在欧洲，IT 基础设施和设备（如数据中心和智能设备）每年会浪费约 1.2 艾焦耳的低温热量。这大致相当于奥地利或罗马尼亚的一次能源消耗。由于热力学效率低下和技术限制，这种低于 80°C 的低品位热量传统上很难利用。

因此，将低温热量直接用于计算机处理器似乎是一个理想的解决方案。但只有极少数材料可用于将热量转化为电能，而且没有一种材料与半导体制造厂的现有技术兼容。

德国于利希研究中心和莱布尼茨高性能微电子研究所、意大利比萨大学、博洛尼亚大学和英国利兹大学之间的研究合作，在开发适合片上能量收集且与 CMOS 芯片生产工艺兼容的材料方面取得了里程碑式的进展。

“在锗中添加锡可显著降低材料的热导率，同时保持其电性能，这是热电应用的理想组合”，于利希研究中心研究小组负责人 Dan Buca 博士解释道。发表在《ACS 应用能源材料》上的低晶格热导率的实验证实，凸显了这些 GeSn 合金作为热电材料的巨大潜力。其背后的想法是：通过将这些合金集成到硅基计算机芯片中，可以利用运行过程中产生的废热并将其转换回电能。这种片上能量收集可以显著减少对外部冷却和电源的需求，从而实现更可持续、更高效的 IT 设备。

此外，第四族元素，又称硅族，是任何电子设备的基础，通过利用它们的合金特性，应用领域现在正在扩大到热电、光子学和自旋电子学。在同一芯片上单片集成光子学、电子学和热电学是硅基技术的雄心勃勃的长期目标。通过结合这些领域，不仅可以提高设备的性能，还可以支持更可持续的技术的发展。

“我们在这篇论文中迈出了非常重要的一步。我们利用一系列不同的实验技术，对不同合金成分和厚度的外延样品进行了测试，评估了热电材料最关键的参数之一——热导率”，IHP 项目负责人 Giovanni Capellini 教授说道。“我们的联合研究将对‘绿色 IT’基础设施领域产生重大影响。”

于利希研究中心和 IHP 的研究小组正在继续他们成功的合作。他们的目标是通过将合金成分扩展到 SiGeSn 和最终的 IV 族合金 CSiGeSn 来进一步开发这种材料，并制造出一种功能性热电装置来展示 IV 族合金的能量收集潜力。这项活动由新授予的 DFG 拨款“用于室温能量收集的 SiGeSn 合金”提供资金支持。此外，FZJ 的这项活动部分由董事会通过合作博士项目“用于大数据应用的 CMOS 能量收集”提供资金支持。

原始出版物：GeSn 合金的室温晶格导热系数，作者：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* 和 Dan Buca，ACS 应用。 能源材料。 2024, 7, 10, 4394-4401, DOI: 10.1021/acsaem.4c00275