Réalisation de nanostructures hybrides pour le contrôle et la conversion de la chaleur

Realisation of hybrid nanostructures for the control and conversion of heat

• Auteur / Autrice : Grace Mangoubi
• Direction : Isabelle Berbezier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence

Mots clés

Mots clés libres

SiGe

Nanorefroidissement

Thermoélectricité

Épitaxie

Dispositifs nanostructurés

SiGe

Nanocooling

Thermoelectricity

Epitaxy

Nanostructured devices

Résumé

Le contrôle et la conversion d'énergie dans les dispositifs optoélectroniques et nanoélectroniques sont devenus l'un des enjeux scientifiques, industriels et sociétaux les plus importants à résoudre dans le contexte actuel de grave crise énergétique internationale. La miniaturisation des dispositifs nanoélectroniques entraîne en effet des densités de puissance plus élevées, ce qui entraîne une augmentation drastique de la production de chaleur par unité de surface. Cet effet d'auto-échauffement induit des réductions significatives des performances et de la durée de vie des transistors. D'autre part, les approches de refroidissement des circuits intégrés reposent sur des techniques de réfrigération par liquide ou par air (ventilateurs), qui refroidissent l'ensemble de la puce et sont donc extrêmement énergivores. Ce problème est encore plus exacerbé depuis l'avènement de l'intelligence artificielle et le développement des centres de données hyperscale. Ces centres peuvent désormais consommer autant d'énergie que 50 000 foyers français. À l'échelle mondiale, leur consommation d'électricité pourrait plus que doubler entre 2022 et 2026, passant de 460 térawattheures-TWh (l'équivalent de la consommation électrique de la France) à plus de 1 000 TWh (l'équivalent de la consommation électrique du Japon). Pire encore, la réfrigération des hyperscalers nécessite également beaucoup d'eau. D'ici 2027, l'industrie de l'IA pourrait consommer l'équivalent de la moitié de l'eau consommée annuellement au Royaume-Uni. Si rien n'est fait, « d'ici quelques années », les producteurs d'IA consommeront autant de ressources que des pays entiers. Le thème de recherche principal est donc le développement de dispositifs de refroidissement hybrides d'une efficacité sans précédent, exploitant les propriétés de transport électronique et phononique à l'échelle nanométrique, sous stimulation électrique ou optique. L'objectif de ce projet est de fabriquer des super-réseaux SiGe et des hétérostructures à effet tunnel résonnant par MBE, capables d'atteindre des facteurs de puissance thermoélectrique (c'est-à-dire S²σ) d'un ordre de grandeur supérieur aux valeurs globales. La deuxième étape consiste à caractériser les systèmes par des analyses structurales et morphologiques (DRX, STEM, HR-EDX) et par des mesures électriques.

Energy control and conversion in opto/nano-electronic devices has become one of the most important scientific, industrial, and societal issues to address in the current severe international energy crisis. The miniaturization of nanoelectronic devices indeed leads to higher power densities, resulting in drastic increase of heat generation per unit area. This self-heating effect induces significant reductions in transistor performance and lifetime. On the other hand, the cooling approaches of integrated circuits are based on liquid or air (fans) refrigeration techniques, which refrigerate the entire chip, and are therefore extremely power consuming. This problem is even more exacerbated since the advent of artificial intelligence and the development of hyperscaler data centers. Such data center can now consume as much energy as 50,000 French households. On a global scale, their electricity consumption could more than double between 2022 and 2026, rising from 460 terawatt hours-TWh (the equivalent of France's electricity consumption) to more than 1,000 TWh (the equivalent of Japan's electricity consumption). Worse still, the refrigeration of hyperscalers also requires a lot of water. By 2027, the AI industry could consume the equivalent of half the water consumed annually in the UK. If nothing is done, “in a few years” time, AI producers will consume as many resources as entire countries''. The core research topic is therefore the development of unprecedently efficient hybrid cooling devices, exploiting both electronic and phononic transport properties at the nanoscale, under electrical or optical stimulation. The aim of this project is to fabricate SiGe superlattices and resonant tunneling heterostructures by MBE, that would be able to achieve thermoelectric power factors (i.e. S²σ) an order of magnitude higher than the bulk values. The second step is to characterize the systems by structural and morphological analyses (XRD, STEM, HR-EDX) and by electrical measurements.