Utilisation des phénomènes thermiques dans les matériaux 2D pour le développement de dispositifs innovants de gestion thermique – EXOTHERM

La croissance exponentielle des applications « avides » de données, telles que l’intelligence artificielle (IA), combinée à la miniaturisation continue de la nanoélectronique, a conduit à un besoin urgent de technologies avancées en gestion thermique. Les effets d’auto-échauffement, résultants de la thermalisation des porteurs chauds dans les zones à fort champ électrique, limitent désormais sévèrement les performances et la durée de vie des dispositifs semi-conducteurs. Les méthodes de refroidissement actuelles — reposant sur des systèmes à air ou à liquide — deviennent de plus en plus inadaptées, en raison de leur consommation massive d’énergie et d’eau, notamment dans les centres de données « hyperscaler » dont l’empreinte environnementale augmente rapidement. Faire face à cette crise thermique nécessite un changement de paradigme dans les technologies d’extraction et de régulation de la chaleur à l’échelle nanométrique.

EXOTHERM vise donc à exploiter de nouveaux phénomènes de transport thermique dans les matériaux bidimensionnels (2D) et à développer des solutions inédites pour la gestion de la chaleur dans la nanoélectronique. Le projet se concentre sur le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs), qui présentent des propriétés complémentaires : le graphène possède une conductivité thermique extrêmement élevée et permet le transport hydrodynamique des phonons pour une conduction thermique directionnelle, tandis que les TMDs offrent des propriétés phononiques et électroniques modulables via des procédés de "gating" et d’empilement dans des hétérostructures de van der Waals (vdW). Leur combinaison constitue une plateforme multifonctionnelle pour la dissipation passive de chaleur et le contrôle thermique actif.

Le projet est structuré en trois volets :

- WP1 : Exploiter l’hydrodynamique des phonons dans le graphène pour concevoir des dispositifs thermiques fonctionnels capables de transporter collectivement les phonons et de conduire la chaleur de manière anisotrope.
- WP2 : Mettre en œuvre un contrôle dynamique des propriétés thermiques des TMDs via le "gating" électrostatique. Il s’agira notamment de moduler la diffusion des phonons par contrôle de la densité de porteurs, de modifier le couplage intercouche dans les empilements vdW, et d’ingénier les effets de confinement des phonons
- WP3 : Développer un dispositif de refroidissement hybride combinant l’extraction thermique efficace du graphène avec l’émission thermoïonique et les interactions phonon-électron modulables dans les TMDs. Un concept de dispositif à quatre terminaux sera exploré pour permettre un contrôle thermique fin via un double "gating" et la modulation du courant.

EXOTHERM vise la réalisation d’une nouvelle classe de dispositifs thermiques nanométriques qui non seulement atténuent l’auto-échauffement dans l’électronique avancée, mais ouvrent également la voie à des systèmes thermoélectriques dynamiquement ajustables. En faisant progresser la connaissance fondamentale et en démontrant des dispositifs de gestion thermique évolutifs et performants, EXOTHERM contribuera à réduire les coûts énergétiques et environnementaux des futurs systèmes nanoélectroniques — aidant ainsi à concilier performance informatique et durabilité.