Dispositifs réfrigérants basés sur le transport hors-équilibre dans les hétéro-structures semi-conductrices – GELATO

En raison de son caractère exploratoire, la stratégie scientifique repose sur la synergie des groupes expérimentaux et théoriques/de simulation :

Approches théoriques/numériques : Le groupe de modélisation de nano-dispositifs à l'IM2NP utilisera un code atomique de transport quantique basé sur le formalisme des fonctions de Green de hors-équilibre (NEGF). Ils ont mis en œuvre une méthode numériquement efficace pour traiter le couplage électron-phonon [Mou2018] qui a conduit à un code quantique NEGF capable de calculer les profils de température des électrons et des phonons [Bes2018].

De façon complémentaire, le groupe de physique du solide au LPENS évaluera les taux de diffusion des électrons dans les hétérostructures (i.e. interactions électron-phonon, électron-impureté et rugosité) [Nde2017]. Dans un deuxième temps, ils développeront un modèle d’équation de taux pour calculer la température du gaz d'électrons, en tenant compte des taux de gain et de perte d'énergie des phonons.

Cette modélisation multi-physique permettra, sur la base du code NEGF, d'obtenir une prescription précise pour l'optimisation des performances du dispositif, tandis que le modèle d'équation de taux fournira une compréhension plus intuitive et analytique de la physique.

Approches expérimentales : Le groupe du LIMMS étudiera la température en se basant sur des mesures de photoluminescence (PL). En effet, la PL offre un outil puissant pour effectuer des mesures directes des températures des porteurs. Cependant, cette méthode peut souffrir de certaines incertitudes car la température estimée dépend fortement de la région spectrale ajustée. Une analyse innovante prenant en compte l'ensemble du spectre a récemment été proposée et adaptée spécifiquement à l'étude des cellules solaires à porteurs chauds [Ngu2018] dans le groupe de l'IPVF. De plus, cette approche offre une estimation directe des propriétés du réseau, permettant l'investigation simultanée des températures du réseau et des porteurs.

Ref:

[Bes2018] M. Bescond, D. Logoteta, F. Michelini, N. Cavassilas, T. Yan, A. Yangui, M. Lannoo, K. Hirakawa, “Thermionic cooling devices based on resonant-tunneling AlGaAs/GaAs heterostructure,” J. Phys.: Condens. Matter 30, 064005 (2018). doi.org/10.1088/1361-648X/aaa4cf

[Mou2018] M. Moussavou, M. Lannoo, N. Cavassilas, D. Logoteta and M. Bescond, “Physically based diagonal treatment of polar optical phonon self-energy: performance assessment of III-V double-gate transistors,” Phys. Rev. Appl. 10, 064023 (2018). doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.064023

[Nde2017] C. Ndebeka-Bandou, F. Carosella, G. Bastard, “Quantum States and Scattering in Semiconductor Nanostructures,” Advanced Textbooks in Physics, World Scientific, Singapore (2017). doi.org/10.1142/q0087

[Ngu2018] D.-T. Nguyen, L. Lombez, F. Gibelli, S. Boyer-Richard, A. Le Corre, O. Durand, J.-F. Guillemoles, Nature Energy 3, 236 (2018). doi.org/10.1038/s41560-018-0106-3

GELATO a combiné la modélisation, la conception et l'investigation expérimentale de dispositifs réfrigérants à l'état solide à base d'hétéro-structures semi-conductrices, combinant les mécanismes de refroidissement thermo-ïonique et d'évaporation d'électrons. Deux structures ont été étudiées : la structure à Double Barrière Asymétrique (ADB), dans laquelle le refroidissement se produit principalement dans un unique puits quantique, et une nouvelle structure appelée le "Réfrigérateur à Cascade Quantique" (QCC), conçue pour améliorer les performances grâce à l'absorption séquentielle de phonons à travers des puits quantiques successifs.

Une étude approfondie de la structure ADB a d'abord été menée afin d'identifier les paramètres de conception optimaux et de maximiser la puissance de refroidissement. D’un point de vue théorique, une approche basée sur l’apprentissage automatique a été développée. Cette approche permet une exploration efficace de l’espace des paramètres et révèle que le refroidissement optimal est atteint lorsque l'énergie d'activation correspond à l'absorption de deux phonons optiques. Une approche semi-analytique a également validé ces résultats.

Ces avancées ont motivé la proposition du QCC, visant à exploiter l'absorption séquentielle de phonons dans des puits quantiques successifs. Les simulations théoriques ont révélé des anti-correlations de la température des électrons entre les puits, liées au filtrage énergétique induit par les interactions électron-phonon. Les mesures expérimentales de photoluminescence sur des échantillons fabriqués par épitaxie par jets moléculaires ont initialement mis en évidence des écarts par rapport aux prédictions théoriques. L'analyse des spectres de courant a attribué cet effet à l’injection d'électrons de haute énergie à l'intérieur des puits. Une version modifiée du QCC, avec des barrières plus élevées, a permis d’éliminer efficacement cette contribution indésirable et de retrouver, comme prévu théoriquement, les oscillations de température électronique.

Pour expliquer les écarts restants entre la théorie et l'expérience, les interactions électron-électron ont été étudiées théoriquement. Cette étude a permis d’analyser les effets de thermalisation induits par les interactions électroniques.

Sur la base de la compréhension du refroidissement thermo-ïonique hors équilibre, le refroidissement optique a également été étudié.

L'approche combinée de modélisation multi-échelle et de validation expérimentale a donc fourni un cadre robuste pour l'étude du refroidissement à l'état solide, avec des applications prometteuses. Les avancées obtenues au cours du projet ont contribué à l'acceptation d'un second projet ANR (démarrant en janvier 2025) portant sur des matériaux différents et étudiant le transport des phonons.

Le projet a été bénéfique à la fois pour la communauté des physiciens et celle des nanoélectroniciens. Il a mis d'abord en lumière les phénomènes physiques qui contrôlent les mécanismes de transport de chaleur à l'échelle nanométrique et a offert une opportunité numérique et expérimentale pour aborder à plus long terme les questions de thermoélectricité quantique. Plus important encore, il représente le fondement d'une nouvelle génération de dispositifs de refroidissement à haut rendement énergétique, d'un grand intérêt technologique pour un large éventail d'applications.

Enfin, GELATO a permis de structurer la recherche au niveau national sur cette thématique et à conduit à l'obtention d'autres projets (ANR notamment).

GELATO a pour objectif la conception de nano-dispositifs réfrigérants thermo-ioniques à très haute efficacité. Il est motivé par le besoin technologique urgent de contrôler la dissipation par effet Joule en nanoélectronique dans un contexte de pénurie énergétique.
Jusqu’à présent, la plupart des études portant sur le refroidissement de la matière sont basées sur l’effet thermoélectrique Peltier. Dans ce type de refroidisseurs, les électrons se propagent de façon inélastique en interagissant avec les phonons du cristal, ce qui crée de l’effet Joule et réduit significativement l’efficacité du dispositif. GELATO propose donc un changement de paradigme : étudier des nano-dispositifs réfrigérants dans lesquels les transports d’électrons et de phonons sont fortement balistiques et dont le principe de fonctionnement se situe dans un régime hors-équilibre. Il s’agit du refroidissement thermo-ionique. Nous nous concentrerons sur les hétérostructures semi-conductrices, pour lesquelles des membres du consortium ont récemment démontré la pertinence pour refroidir à l’échelle nanométrique. Deux tâches scientifiques seront abordées. La première portera sur l’étude d’une hétérostructure à double barrières asymétriques. Nous étudierons l'interaction entre la réfrigération des phonons et des électrons dans les systèmes hors-équilibres. Nous convergerons vers une compréhension claire en opérant une procédure d'optimisation complète (en modifiants les matériaux, les géométries et la température) grâce, notamment, à des simulations quantiques intensives. Cela conduira à la détermination des paramètres physiques généraux à l’origine d’une réduction de température la plus importante. La seconde tâche sera dédiée à la conception de dispositifs réfrigérants plus sophistiqués. Nous étudierons trois structures, chacune évaluant un effet de refroidissement spécifique :
i) “quantum cascade cooler (QCC)”
Une hétérostructure à base de super-réseau peut significativement améliorer la puissance de refroidissement. En contrôlant l'épaisseur de chaque couche afin d'augmenter progressivement l'énergie des états des puits quantiques, un électron transmis peut absorber plusieurs phonons, réfrigérant ainsi l'ensemble de la structure. Ce dispositif est identifié comme “quantum cascade cooler”.
ii) les systèmes hybrides métal/semi-conducteurs
L’objectif général étant de maximiser le pompage de chaleur dans le puits quantique, il est souhaitable d'augmenter la capacité thermique électronique de cette région. Nous adopterons ainsi une stratégie hybride en utilisant un métal (ou un semi-conducteur fortement dopé) dans le QW et conserverons l’AlGaAs ailleurs.
iii) le pompage opto-thermo-ionique :
Dans le dispositif opto-thermionique, les électrons chauds entrant dans le collecteur se recombineront en émettant des photons et évacueront ainsi la chaleur hors du dispositif.
Ces travaux ouvriront la voie à une nouvelle ère de recherche en thermoélectricité et conduiront à la fabrication de nano-dispositifs offrant une efficacité de refroidissement inédite.