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

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.