Silicium mésoporeux : L'avenir de la thermoélectricité et des batteries

De nouvelles connaissances sur les matériaux nanostructurés tels que le silicium mésoporeux pourraient ouvrir la voie à l'amélioration des semi-conducteurs et des thermoélectriques à l'avenir. Les scientifiques travaillent depuis des années à la création d'un silicium plus résistant pour faire progresser l'informatique et d'autres industries. Toutefois, leur compréhension des mécanismes microscopiques de transport des porteurs présents dans les silicones nanostructurés était limitée.

Heureusement, une équipe d'ingénieurs innovateurs de HZB a publié une étude détaillée.¹ documentant le comportement exact de l'un des matériaux nanostructurés les plus prisés : le silicium mésoporeux. Leurs recherches pourraient ouvrir la voie à des percées dans les domaines de la médecine, de la thermoélectricité, de l'informatique et du développement durable. C'est pourquoi leur rapport est considéré par beaucoup comme un facteur de changement. Voici ce qu'il faut savoir.

Silicium mésoporeux (pSi)

Les avantages du silicium mésoporeux sont connus depuis de nombreuses années. Cependant, la façon dont il obtient ces caractéristiques favorables dans certaines circonstances restait un mystère jusqu'à récemment. Le silicium mésoporeux présente une structure unique qui peut modifier la dispersion des phonons, ce qui permet un transport thermique plus important à sa surface.

Pour accomplir cette tâche, le silicium mésoporeux s'appuie sur des pores de taille nanométrique qui lui permettent de supporter l'anodisation électrochimique dans l'acide fluorhydrique (HF). Cette structure offre une grande flexibilité aux ingénieurs, qui peuvent ainsi ajuster des paramètres clés tels que la distribution, la porosité, la taille des pores, la connectivité et l'orientation.

Une meilleure compréhension est nécessaire

Bien que le silicium mésoporeux soit étudié depuis des décennies, son mécanisme de transport de charges n'était pas clair jusqu'à présent. Les dernières recherches fournissent une explication définitive, révélant que les porteurs de charge se déplacent à travers des états électroniques étendus au-dessus d'un bord de mobilité dépendant du désordre, plutôt que de s'appuyer sur des sauts assistés par des phonons. Cette avancée pourrait déboucher sur de nouvelles applications pour ce matériau à hautes performances. Consciente de la nécessité d'approfondir les connaissances, une équipe d'ingénieurs a entrepris de révéler les rouages internes du silicium mésoporeux et son fonctionnement exact.

Étude sur le silicium mésoporeux

L'étude "Electrons, localisation mais pas de saut : Le désordre comme clé pour comprendre le transport de charges dans le silicium mésoporeux,"publié dans la revue Science, vise à décrire en détail les subtilités des propriétés et des processus de transport du pSi.

Les chercheurs ont étudié les vibrations du réseau (phonons) et la manière dont leurs orientations et d'autres facteurs modifient les caractéristiques du matériau. Cette approche fournit des informations uniques sur le mécanisme microscopique de transport des porteurs.

Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont fabriqué des couches de silicium mésoporeux par anodisation électrochimique dans de l'acide fluorhydrique (HF), un processus bien établi qui permet un contrôle précis de la taille des pores, de la porosité et de la connectivité. En mesurant la conductivité électrique et la puissance thermique en fonction de la température, les chercheurs ont identifié la manière dont le désordre microscopique affecte le transport des charges dans le silicium mésoporeux.

Source - HZB

Les minuscules pores se combinent aux liquides pour créer un flux hydrodynamique qui réside dans les nanocanaux. Les chercheurs ont étudié des détails clés, notamment le bord de mobilité dépendant du désordre entre les états localisés et étendus.

Test sur silicium mésoporeux

L'équipe a ensuite testé ses résultats en utilisant des plaquettes de silicium fabriquées sur mesure. Ils ont utilisé un processus de gravure de 4 heures pour créer des plaquettes de silicium dopé p dans des électrolytes contenant de l'acide HF. Plus précisément, les plaquettes fabriquées sur mesure ont été anodisées dans une solution d'électrolyte 4:6. Cette solution était composée de 48 vol% de HF et de 99 vol% d'éthanol.

L'équipe a notamment pu ajuster chaque aspect du silicium, y compris la taille des pores, la porosité et l'interconnectivité des réseaux de pores gravés. Le processus de gravure des plaquettes de silicium orientées [001] de type p a été testé sur différents types de silicium.

L'équipe a noté qu'elle avait besoin d'une conductivité de σ=50-100S cm-1 pour fonctionner et que la structure fournissait une densité de courant de gravure de j=12mA cm-2. Le processus a permis d'obtenir une membrane autoportante de 5 cm d'épaisseur de μ160μm, capable de conductivité électrique et thermique.

Résultats des tests sur le silicium mésoporeux

Les résultats des tests ont permis de mettre en lumière les réactions uniques qui se produisent avec le silicium mésoporeux. Plus précisément, l'équipe a intégré un analyseur Seebeck pour documenter avec précision la conductivité électrique et la puissance thermique.

Dans le cadre de ce test, les ingénieurs ont suivi la concentration en HF, la densité du courant et le temps de gravure. En outre, les ingénieurs ont utilisé une technique de sonde à quatre points en ligne pour suivre la conductivité électrique à un courant maximum de 1 mA. Ils ont découvert qu'une atmosphère d'azote gazeux crée des modèles d'oxydation uniques à des températures plus élevées.

L'avantage de la mobilité

Le test suivant a consisté à surveiller le bord de mobilité pour voir exactement comment les phonons interagissent. Les chercheurs ont utilisé la règle de compensation de Meyer-Neldel pour confirmer que le transport de charges se produit dans des états étendus au-dessus d'un bord de mobilité dépendant du désordre, infirmant ainsi les modèles précédents qui suggéraient que les porteurs de charges s'appuyaient sur des sauts assistés par des phonons multiples entre des états localisés.

L'étude a révélé l'existence de structures en forme de trame qui sont essentielles à la migration des électrons dans le processus. Ces structures sont fondamentales pour le processus de transport et jouent également un rôle dans la conductivité thermique.

Le taux de transfert des phonons est régi par des états étendus au-dessus d'un bord de mobilité dépendant du désordre. Cette découverte clarifie le mécanisme de transport de charges dans le silicium mésoporeux, en montrant que les porteurs de charges se déplacent à travers des états étendus au-dessus d'un bord de mobilité dépendant du désordre, plutôt que de s'appuyer sur des sauts assistés par des phonons multiples entre des états localisés, comme le suggéraient certains modèles antérieurs. Cette découverte permet aux ingénieurs de documenter des détails clés du processus, ouvrant la voie à d'autres scénarios d'utilisation.

La conductivité diminue

Le silicium mésoporeux étant synthétisé à partir de plaquettes hautement conductrices dopées au bore, il présente des propriétés uniques. Paradoxalement, ce matériau est un important conducteur d'électricité. D'une part, l'équipe a constaté que la conductivité diminue avec l'augmentation du désordre. Ces matériaux perdent leur conductivité lorsqu'ils sont installés dans certaines structures de pores.

Mesures de puissance thermique en fonction de la température

Une autre découverte clé est le lien entre la conductivité et la température dans le silicium mésoporeux. Le scientifique a rapidement déterminé que le matériau était activé thermiquement. La compréhension de cette composante essentielle du matériau a permis aux ingénieurs d'atteindre des valeurs d'énergie de 860meV.

Avantages du silicium mésoporeux

Le matériau mésoporeux présente plusieurs avantages pour le marché. Tout d'abord, il s'agit d'une alternative beaucoup plus durable. Le silicium mésoporeux est totalement biocompatible. Cette structure signifie que le matériau ne provoquera pas de réactions indésirables chez les êtres vivants, ce qui le rend idéal pour les systèmes de transport de médicaments.

Chercheurs sur le silicium mésoporeux

L'étude sur le silicium mésoporeux a été menée par des ingénieurs de HZB. Le premier auteur de l'étude est le Dr Tommy Hofmann. Klaus Habicht, Haider Haseeb, Danny Kojda et Natalia Gostkowska-Lekner. L'équipe cherche maintenant à étendre ses recherches et à établir un partenariat stratégique pour poursuivre le développement du silicium mésoporeux.

Applications

Ce nouveau type de matériau nanostructuré peut être utilisé dans de nombreuses applications. On parle déjà de l'utiliser comme isolant thermique de nouvelle génération. Le matériau possède les propriétés idéales et peut fournir des capacités de transfert thermique fiables et peu coûteuses.

Ordinateurs quantiques

Une application particulièrement intéressante du silicium mésoporeux est l'informatique quantique. Les qubits à base de silicium devant fonctionner à des températures cryogéniques (inférieures à 1 Kelvin), la conductivité thermique exceptionnellement faible du silicium mésoporeux pourrait en faire un isolant thermique idéal, empêchant l'absorption de la chaleur et préservant la stabilité du qubit.

Nouveaux semi-conducteurs

L'utilisation de ce matériau pour créer de meilleurs semi-conducteurs fait déjà l'objet de nombreuses discussions. Le silicium mésoporeux améliore la conductivité thermique du silicium cristallin ou polycristallin, ce qui se traduit par des machines plus performantes. À l'avenir, les scientifiques approfondiront l'étude du silicium mésoporeux et de ses nombreux avantages afin de découvrir d'autres cas d'utilisation.

Biocapteurs

Le silicium mésoporeux est également idéal pour les biocapteurs. Ce système peut contribuer à des processus médicaux vitaux tels que l'administration de médicaments. Les biocapteurs ont déjà permis d'améliorer les traitements du foie, qui posent normalement un problème en raison de l'élimination constante des toxines par l'organe. Les biocapteurs peuvent cibler les zones difficiles à atteindre, assurant ainsi l'administration des médicaments.

Production d'électricité

Le silicium mésoporeux pourrait jouer un rôle essentiel dans les futurs systèmes de production d'énergie. Sa conception nanostructurée pourrait améliorer la gestion thermique dans les applications de semi-conducteurs où la conductivité thermique élevée du silicium traditionnel constitue une limite. Cela pourrait ouvrir de nouvelles portes dans les domaines de la photovoltaïque, de la nanoélectronique et de la thermoélectricité. Cela permettrait d'améliorer considérablement les systèmes actuels tout en soutenant une infrastructure énergétique plus durable, plus abordable et plus verte.

Entreprises leaders dans les secteurs de la thermoélectricité et des batteries

Plusieurs entreprises se sont fait une place dans les secteurs des batteries et de la thermoélectricité, qui pourraient bénéficier des résultats de l'étude sur le silicium mésoporeux. Ces entreprises continuent d'innover et de mettre sur le marché des technologies plus efficaces. Voici une entreprise qui s'est forgée une réputation de leader dans le développement de batteries de nouvelle génération.

Enovix Corporation

Enovix (ENVX +1.89%) est entrée sur le marché avec l'objectif de révolutionner la technologie des batteries lithium-ion grâce à son architecture exclusive d'anodes de silicium en 3D. L'entreprise a été fondée en 2007 et son siège social se trouve à Fremont, en Californie. Elle s'est positionnée comme un innovateur clé dans les solutions de stockage d'énergie à haute densité.

Enovix se distingue dans le secteur des batteries avancées, en s'appuyant sur sa technologie de pointe des anodes en silicium pour améliorer les performances, la durée de vie et la densité énergétique des batteries. Contrairement aux anodes traditionnelles en graphite, l'approche d'Enovix augmente la capacité de stockage d'énergie tout en maintenant la stabilité structurelle. Cette innovation est d'autant plus pertinente que le silicium mésoporeux continue de susciter l'intérêt pour son rôle potentiel dans les anodes de batteries.

Aujourd'hui, Enovix est un acteur de premier plan sur le marché des batteries à anode de silicium, un segment qui devrait croître à mesure que la demande de solutions de stockage d'énergie à haute performance augmente. La technologie de l'entreprise répond aux principales limites des batteries lithium-ion conventionnelles, offrant des temps de charge plus rapides, des durées de vie plus longues et une meilleure efficacité. Enovix reste donc une option d'investissement convaincante pour ceux qui cherchent à s'exposer à la prochaine génération d'innovations en matière de batteries.

Dernières nouvelles d'Enovix

Silicium mésoporeux - L'avenir des semi-conducteurs et plus encore

Le silicium mésoporeux et d'autres matériaux nanostructurés sont promis à un bel avenir dans les processus de fabrication du futur. Ces matériaux offrent une conductivité thermique et une flexibilité de haut niveau, ce qui en fait la solution idéale pour un grand nombre des applications les plus importantes d'aujourd'hui. Il convient donc de féliciter les ingénieurs de l'étude sur le mésopore pour avoir fait la lumière sur le fonctionnement interne de ce matériau incroyablement utile.

Découvrez d'autres percées intéressantes dans le domaine de la science des matériaux.

Référence de l'étude :

^{1. Hofmann, T., Haseeb, H., Kojda, D., Gostkowska-Lekner, N. et Habicht, K. (2025), Electrons, Localization but no Hopping : Disorder as Key for Understanding Charge Transport in Mesoporous Silicon. Small Struct. 2400437. https://doi.org/10.1002/sstr.202400437}