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Faire monter la température sur les semi-conducteurs de nouvelle génération

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Faire monter la température sur les semi-conducteurs de nouvelle génération

La surface brûlante de Vénus, où les températures peuvent atteindre 480 degrés Celsius (suffisamment chaudes pour faire fondre le plomb), est un endroit inhospitalier pour les humains comme pour les machines. L’une des raisons pour lesquelles les scientifiques n’ont pas encore pu envoyer de rover à la surface de la planète est que les composants électroniques à base de silicium ne peuvent pas fonctionner à des températures extrêmes pendant une longue période.

Pour les applications à haute température telles que l’exploration de Vénus, les chercheurs se sont récemment tournés vers le nitrure de gallium, un matériau unique capable de résister à des températures de 500 degrés ou plus.

Le matériau est déjà utilisé dans certains appareils électroniques terrestres, tels que les chargeurs de téléphone et les tours de téléphonie cellulaire, mais les scientifiques ne comprennent pas bien comment les dispositifs au nitrure de gallium se comportent à des températures supérieures à 300 degrés, la limite opérationnelle de l’électronique traditionnelle au silicium.

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dans Nouvel article publié dans Lettres de physique appliquée, Dans le cadre d’un effort de recherche pluriannuel, une équipe de scientifiques du MIT et d’ailleurs a cherché à répondre à des questions clés sur les propriétés et les performances du matériau à des températures extrêmement élevées.

Ils ont étudié l’effet de la température sur les contacts ohmiques dans un dispositif au nitrure de gallium. Les contacts ohmiques sont des composants clés qui connectent un dispositif semi-conducteur au monde extérieur.

Les chercheurs ont constaté que les températures extrêmes n’entraînaient pas de dégradation significative du matériau en nitrure de gallium ou de ses contacts. Ils ont été surpris de constater que les points de contact restaient structurellement solides même lorsqu’ils étaient maintenus à 500°C pendant 48 heures.

Comprendre le fonctionnement des communications à des températures extrêmes constitue une étape importante vers le prochain objectif du groupe : développer des transistors hautes performances susceptibles de fonctionner à la surface de Vénus. De tels transistors pourraient également être utilisés sur Terre en électronique pour des applications telles que l’extraction d’énergie géothermique ou la surveillance des composants internes des moteurs à réaction.

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« Les transistors sont le cœur de la plupart des composants électroniques modernes, mais nous ne voulions pas nous lancer directement dans la fabrication d’un transistor au nitrure de gallium, car trop de choses pourraient mal tourner. Nous voulions d’abord nous assurer que les matériaux et les contacts restaient et voir à quel point ils changeaient. à mesure que la température augmentait. Étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal de cet article : « Nous concevrons notre propre transistor à partir de ces éléments de base des matériaux de base. »

Augmenter la température

Bien que le nitrure de gallium ait récemment attiré beaucoup d’attention, ce matériau est encore en retard de plusieurs décennies sur le silicium lorsqu’il s’agit de comprendre comment ses propriétés changent dans différentes conditions. L’une de ces propriétés est la résistance, qui est la circulation du courant électrique à travers un matériau.

La résistance totale de l’appareil est inversement proportionnelle à sa taille. Mais les appareils comme les semi-conducteurs ont des points de contact qui les connectent à d’autres appareils électroniques. La résistance de contact résultant de ces connexions électriques reste constante quelle que soit la taille de l’appareil. Une résistance de contact trop importante peut entraîner une dissipation de puissance plus élevée et des fréquences de fonctionnement plus lentes pour les circuits électroniques.

« Surtout lorsque l’on utilise des dimensions plus petites, les performances des appareils sont souvent limitées par la résistance de contact. Les gens ont une relativement bonne compréhension de la résistance de contact à température ambiante, mais personne n’a vraiment étudié ce qui se passe lorsque la température atteint 500 degrés », explique Niroula. .

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé les installations du MIT.nano pour construire des dispositifs en nitrure de gallium appelés structures de méthode de longueur de transfert, constitués d’une série de résistances. Ces appareils leur permettent de mesurer la résistance à la fois du matériau et des contacts.

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Ils ont ajouté des contacts ohmiques à ces appareils en utilisant les deux méthodes les plus courantes. La première méthode consiste à placer le métal dans du nitrure de gallium et à le chauffer à 825 degrés Celsius pendant environ 30 secondes, un processus appelé recuit.

La deuxième méthode consiste à retirer des morceaux de nitrure de gallium et à utiliser une technologie à haute température pour faire repousser du nitrure de gallium hautement dopé à leur place, un processus dirigé par Rajan et son équipe de l’Ohio State. Un matériau hautement énergétique contient des électrons supplémentaires qui peuvent contribuer à conduire le courant.

« La méthode de repousse entraîne généralement une faible résistance de contact à température ambiante, mais nous voulions voir si ces méthodes fonctionnaient toujours bien à des températures élevées », explique Niroula.

Une approche compréhensive

Ils ont testé les appareils de deux manières. Leurs collaborateurs de l’Université Rice, dirigés par Zhao, ont effectué des tests à court terme en plaçant les appareils sur un mandrin chauffé à 500 degrés Celsius et en prenant des mesures de résistance instantanées.

Au MIT, ils ont mené des expériences à long terme en plaçant les appareils dans un four spécialisé que le groupe avait précédemment développé. Ils ont laissé les appareils à l’intérieur pendant 72 heures maximum pour mesurer l’évolution de la résistance en fonction de la température et du temps.

Des experts en microscopie du MIT (Aubrey N. Penn) et de l’Institute for Technology Innovation (Nitul S. Rajput) ont utilisé des microscopes électroniques à transmission de pointe pour voir comment ces températures élevées affectent le nitrure de gallium et les contacts ohmiques dans l’atome. niveau.

« Nous pensions que les contacts ou le matériau en nitrure de gallium lui-même se dégraderaient considérablement, mais nous avons constaté le contraire. Il semblait que les contacts établis par les deux méthodes étaient remarquablement stables », explique Niroula.

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Bien qu’il soit difficile de mesurer la résistance à des températures aussi élevées, leurs résultats indiquent que la résistance de contact semble constante même à des températures de 500 degrés, pendant environ 48 heures. Comme à température ambiante, le processus de repousse a entraîné de meilleures performances.

Le matériau a commencé à se dégrader après avoir été placé au four pendant 48 heures, mais les chercheurs travaillent déjà à améliorer ses performances à long terme. Une stratégie consiste à ajouter des isolants de protection pour empêcher le matériau d’être directement exposé à un environnement à haute température.

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’utiliser ce qu’ils ont appris lors de ces expériences pour développer des transistors au nitrure de gallium à haute température.

« Dans notre groupe, nous nous concentrons sur la recherche innovante au niveau des dispositifs pour repousser les frontières de la microélectronique, en adoptant une approche systématique à travers la hiérarchie, du niveau des matériaux au niveau des circuits. Ici, nous avons atteint le niveau physique pour comprendre les choses en profondeur. En d’autres termes, nous avons traduit les développements au niveau des appareils jusqu’à l’impact au niveau des circuits pour l’électronique à haute température, grâce à une conception, une modélisation et une fabrication complexes. Nous avons également la chance d’avoir noué des partenariats étroits avec nos collaborateurs de longue date au cours de ce voyage. .

référence: Nirula G, Shih Q, Rajput NS et al. Stabilité à haute température des contacts ohmiques régénérés alliés à l’hétérostructure AlGaN/GaN jusqu’à 500 °C. Lettres de physique appliquée. 2024;124(20):202103. est ce que je: 10.1063/5.0191297

Cet article a été republié ci-dessous Matiéres. Remarque : Le matériel peut avoir été modifié en termes de longueur et de contenu. Pour plus d’informations, veuillez contacter la source susmentionnée. Vous pouvez accéder à notre politique de communiqués de presse ici.

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La fin de tout, en direct, avec Katie Mack

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La fin de tout, en direct, avec Katie Mack


Catherine J. (Katie) Mack est cosmologiste théorique et titulaire de la chaire Hawking en cosmologie et communication scientifique à l’Institut périphérique de physique théorique de Waterloo, Ontario, Canada. Elle est auteur La fin de tout (parlant astrophysique).

La fin de tout

Katie Mack est une cosmologiste théorique spécialisée dans les liens entre l’astrophysique et la physique des particules… c’est-à-dire le très grand et le très petit. Elle travaille également sur des sujets liés à l’univers primitif, aux trous noirs et à la formation des premières galaxies. Elle est également une communicatrice scientifique reconnue. Son livre de 2020 s’intitule La fin de tout (parlant astrophysique) … qui commence au Big Bang et plonge ensuite dans certains des destins de l’univers dont vous avez peut-être entendu parler, comme le Big Crunch, le Heat Death, le Big Rip… et bien plus encore. Une critique de ce livre sur EarthSky.org a déclaré que c’était la combinaison parfaite d’un peu effrayant et d’un peu divertissant. Katie s’entretiendra avec Deborah Baird, fondatrice et rédactrice en chef d’EarthSky.

Quoi : Une interview avec la cosmologue Katie Mack, sur la fin de tout
Date : lundi 24 juin (en direct)
Heure : 12h15, heure centrale (17h15 UTC)

Depuis la page de description de Everything’s End sur Amazon

Un livre remarquable du New York Times * Un choix du club de lecture NPR SCIENCE FRIDAY * Élu meilleur livre de l’année par le Washington Post, The Economist, New Science, Publishers Weekly et The Guardian

De l’hôte de Le podcast de l’Univers avec John Green L’une des étoiles les plus dynamiques de l’astrophysique, « intéressante et élégante » (New York Times) Examinez cinq façons dont l’univers pourrait se terminer et les leçons surprenantes que chaque scénario révèle sur les concepts les plus importants de la cosmologie.

Nous savons que l’univers a eu un commencement. Avec le Big Bang, il s’est étendu d’un état de densité inimaginable à une boule de feu cosmique englobante en un liquide bouillant de matière et d’énergie, jetant les graines de tout, des trous noirs à une seule planète rocheuse en orbite autour d’une étoile près du bord de l’espace. univers. La galaxie spirale dans laquelle la vie telle que nous la connaissons a évolué. Mais qu’arrive-t-il à l’univers à la fin de l’histoire ? Qu’est-ce que cela signifie pour nous maintenant ?

La Dre Katie Mack réfléchit à ces questions depuis qu’elle est jeune étudiante, lorsque son professeur d’astronomie lui a dit que l’univers pouvait prendre fin à tout moment, en un instant. Cette révélation l’a mise sur la voie de l’astrophysique théorique. Aujourd’hui, avec un esprit vif et un humour vif, elle nous emmène dans un voyage fascinant à travers cinq des fins possibles de l’univers : le Grand Effondrement, la mort thermique, le Big Rip, la désintégration du vide (qui peut survenir à tout moment !) et la régression. Il nous présente les dernières avancées scientifiques et les concepts clés de la mécanique quantique, de la cosmologie, de la théorie des cordes et bien plus encore. La fin de tout C’est un voyage très agréable et étonnamment optimiste vers la distance la plus lointaine que nous connaissions.

Chez Amazon : la fin de tout (astrophysique)

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En résumé : rejoignez Deborah Byrd d’EarthSky et la cosmologiste théorique Katie Mack à 17h15 UTC (12h15 Centrale) le lundi 24 juin, alors qu’elles discutent de la fin de tout !

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Le Boeing Starliner est-il « coincé » dans l’espace ? Le retour sur Terre a été retardé une troisième fois, suscitant des inquiétudes

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Le Boeing Starliner est-il « coincé » dans l’espace ?  Le retour sur Terre a été retardé une troisième fois, suscitant des inquiétudes

La NASA a annoncé vendredi 21 juin que le retour sur Terre du Boeing Starliner depuis la Station spatiale internationale avait été retardé pour la troisième fois. Aucune nouvelle date de retour n’a été révélée, mais il s’agit du dernier de plusieurs retards annoncés après que le véhicule a rencontré divers problèmes lors de son trajet vers la station spatiale.

Inquiétude généralisée concernant le retard du troisième retour du Boeing Starliner (Reuters/Joe Skipper/File Photo) (Reuters)

Les astronautes Butch Wilmore et Sonny Williams ont décollé de Cap Canaveral le 5 juin. Par la suite, quatre fuites d’hélium et cinq pannes lors de 28 manœuvres de propulsion ont été signalées. Les autorités auraient un délai de 45 jours pour les restituer.

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Le modèle de retour du vaisseau spatial a été amarré au module Harmony de la Station spatiale internationale. Cependant, les responsables ont averti que le carburant d’Harmony était limité, suggérant qu’un retour devrait être planifié dès que possible. Initialement, Willmore et Williams devaient revenir le 13 juin.

Au milieu des inquiétudes généralisées concernant le retour en toute sécurité des astronautes, avec plusieurs messages affirmant que le Starliner est « coincé sur la Station spatiale internationale », certains messages sur les réseaux sociaux suggèrent que la situation n’est pas si mauvaise après tout. Rebecca Regan, une utilisatrice de X, qui semble avoir une connaissance directe de la situation, a affirmé que Wilmore et Williams « ne sont pas coincés », comme le prétendent certains rapports.

Voici quelques messages exprimant votre inquiétude :

Le Starliner est-il « coincé » dans l’espace ?

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« Non, Starliner n’est pas coincé dans l’espace. Non, Butch et Sonny ne sont pas bloqués. Nous avons un bon vaisseau spatial et un équipage heureux et en bonne santé. » nous a donné un petit encouragement pour nous remonter le moral », a-t-il déclaré sur X.

À ce sujet, Regan a cité Mark Nappi, responsable du programme Starliner au sein du personnel commercial de Boeing, qui a déclaré : « Le Starliner a très bien fonctionné et nous avons obtenu exactement ce que nous voulions de ce test en vol en apprenant des choses que vous ne pouvez apprendre qu’en volant. »

« L’équipage a apporté un soutien incroyable à cet apprentissage en orbite, en travaillant avec les équipes au sol pour améliorer et affiner l’expérience des futurs équipages », a ajouté Nappi, selon Reagan.

« Starliner rentrera chez lui avec Butch et Sonny ayant appris tout ce que nous pouvons en orbite », a ajouté Reagan.

Faisant écho aux commentaires de Reagan. L’expert spatial Jonathan McDowell a déclaré au New York Post que la situation n’est peut-être pas aussi désastreuse que certains l’imaginent. « Vous pouvez perdre certains dispositifs de propulsion et tout aller bien car il y en a beaucoup, mais il s’agit toujours du système de propulsion et vous voulez comprendre tout ce qui se passe », a-t-il déclaré. « Ils veulent s’assurer que ces petits problèmes ne cachent pas de plus gros problèmes. »

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

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Les collisions d’étoiles à neutrons repoussent les limites de la physique extrême

Lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision, elles créent l’un des événements les plus passionnants et les plus complexes de l’univers. Les étoiles à neutrons, vestiges d’étoiles effondrées, sont incroyablement denses et petites.

Lorsque deux de ces étoiles sont proches l’une de l’autre, elles se rapprochent et finissent par entrer en collision. Cette collision génère une chaleur intense et de merveilleux phénomènes physiques.

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est le reste compact d’une étoile massive ayant subi une explosion de supernova.

Lorsqu’une étoile pesant entre 8 et 20 fois la masse de notre Soleil épuise son combustible nucléaire, elle s’effondre sous sa propre gravité. Le noyau est tellement comprimé que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons, créant ainsi une étoile à neutrons.

Ces étoiles ne mesurent qu’environ 20 kilomètres (12 miles) de diamètre, mais leur masse est environ deux fois celle du Soleil. Pour mettre sa densité en perspective, une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pourrait peser environ un milliard de tonnes sur Terre.

Les étoiles à neutrons ont des champs magnétiques extrêmement puissants et peuvent tourner rapidement, émettant des faisceaux de rayonnement qui peuvent être détectés comme des pulsars.

Malgré leur petite taille, les étoiles à neutrons constituent un laboratoire unique pour étudier le comportement de la matière dans des conditions extrêmes, contribuant ainsi à notre compréhension de la physique fondamentale.

La physique cachée des fusions d’étoiles à neutrons

Des simulations récentes menées par des physiciens de Université d’État de Pennsylvanie Fournit de nouvelles informations sur les collisions d’étoiles à neutrons. Les simulations ont révélé que les neutrinos chauds, qui sont de petites particules presque sans masse, peuvent être brièvement piégés à l’interface où les étoiles fusionnent.

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Cela ne dure que 2 à 3 millisecondes, pendant lesquelles les neutrinos interagissent avec la matière stellaire, contribuant ainsi à ramener les particules vers l’équilibre.

« Pour la première fois en 2017, nous avons observé des signaux, notamment des ondes gravitationnelles, provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons binaires », a déclaré Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et à l’UC Berkeley, qui a dirigé la recherche.

« Cette découverte a suscité un grand intérêt pour l’astrophysique des étoiles à neutrons binaires. Comme nous ne pouvons pas reproduire ces événements en laboratoire, les simulations basées sur la théorie de la relativité générale d’Einstein sont le meilleur outil pour les comprendre. »

La nature des étoiles à neutrons

On pense que les étoiles à neutrons sont presque entièrement constituées de neutrons. Leur étonnante densité, surpassée seulement par les trous noirs, résulte de la fusion de protons et d’électrons en neutrons.

Le professeur David Radice, chef de l’équipe de recherche, a expliqué : « Avant leur fusion, les étoiles à neutrons sont en réalité froides, même si leurs températures atteignent des milliards de degrés Kelvin. »

« Leur densité signifie que cette chaleur ajoute très peu à l’énergie du système. Cependant, lors de l’impact, la température de l’interface peut atteindre des milliards de degrés Kelvin. Les photons ne peuvent pas s’échapper de cet environnement dense pour dissiper la chaleur, de sorte que les étoiles se refroidissent en émettant des neutrinos. »

Réactions post-collision

Lors d’une collision, les neutrons des étoiles se décomposent en protons, électrons et neutrinos.

Les conséquences directes de ce processus sont restées longtemps un mystère en astrophysique. Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a créé des simulations détaillées qui modélisent la fusion et la physique qui en résulte.

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Ces simulations, qui nécessitent une puissance de calcul massive, ont montré que même les neutrinos peuvent être brièvement piégés par la chaleur et la densité de la collision.

En déséquilibre avec les noyaux d’étoiles plus froides, ces neutrinos chauds interagissent avec la matière stellaire.

« Ces événements extrêmes repoussent les limites de notre compréhension de la physique », a noté le professeur Radice. « La courte phase de non-équilibre de 2 à 3 millisecondes est celle où la physique la plus intéressante se produit. Une fois l’équilibre rétabli, la physique devient plus compréhensible. »

Implications pour le contrôle des fusions

Les interactions lors de la fusion peuvent affecter les signaux que nous détectons sur Terre à partir de ces événements.

« La façon dont les neutrinos interagissent avec la matière stellaire et sont émis affecte les oscillations du reste fusionné », a expliqué Espino.

« Cela affecte les signaux d’ondes électromagnétiques et gravitationnelles observés sur Terre. La prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles peut être conçue pour détecter ces différences de signaux. Ainsi, nos simulations améliorent non seulement notre compréhension, mais guident également les futures expériences et observations. »

Ces simulations révolutionnaires ouvrent de nouvelles fenêtres sur la physique des collisions d’étoiles à neutrons, nous aidant à comprendre l’un des phénomènes les plus extrêmes et les plus fascinants de l’univers.

L’étude est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.

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