Neues Material ebnet den Weg für On-Chip Energy Harvesting Der Microchip der Zukunft gewinnt Energie zurück

Ein so genanntes thermoelektrisches Material, eine Legierung aus Germanium und Zinn, ist offenbar geeignet, die Abwärme von Computerprozessoren in Elektrizität umzuwandeln. Das haben Forschende aus Deutschland, Italien und Großbritannien herausgefunden. Und besser noch: Da alle Elemente aus der 4. Hauptgruppe des Periodensystems stammen, lässt sich die neue Halbleiterlegierung leicht in den Prozess der Chipfertigung integrieren.

Der zunehmende Einsatz elektronischer Geräte in allen Lebensbereichen treibt den Energieverbrauch in die Höhe. Ein Großteil dieser Energie wird in Form von Wärme in die Umwelt abgegeben. In Europa gehen so jährlich etwa 1,2 Exajoule aus IT-Infrastrukturen und Rechenzentren sowie Geräten wie Smart Devices verloren.

Dies entspricht in etwa dem Primärenergieverbrauch von Österreich oder Rumänien. Allerdings ist Wärme unter 80 Grad traditionell nur schwer nutzbar wegen der schlechten thermodynamischen Effizienz und technologischen Einschränkungen. Ideal wäre es daher, die Niedertemperaturwärme wieder zurückzuführen.

Doch es gibt nur sehr wenige Materialien, die in der Lage sind, die Wärme in elektrische Energie umzuwandeln, und keines davon ist mit der aktuellen Technologie in Halbleiterfertigungsanlagen kompatibel. Eine Kooperation zwischen dem Forschungszentrum Jülich und dem IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik in Deutschland, zusammen mit der Universität Pisa, der Universität Bologna in Italien und der Universität Leeds in Großbritannien, hat nun jedoch einen Meilenstein bei der Entwicklung eines solchen Materials erreicht, das für die Energiegewinnung auf Chips geeignet und mit dem CMOS-Prozess der Chipfertigung kompatibel ist.

Dan Buca, Leiter der Forschungsgruppe am Forschungszentrum Jülich, erläutert: „Das Hinzufügen von Zinn zu Germanium reduziert die thermische Leitfähigkeit erheblich, während die elektrischen Eigenschaften beibehalten werden – eine ideale Kombination für thermoelektrische Anwendungen.“

Die – experimentell bestätigte – niedrige thermische Leitfähigkeit des Kristallgitters unterstreicht das große Potenzial der GeSn-Legierungen als thermoelektrisches Material. Die Idee dahinter: Indem man es in siliziumbasierte Mikrochips integriert, wird es möglich, die im Betrieb erzeugte Abwärme zu nutzen und in elektrische Energie zurück zu wandeln. Dieses „Energy Harvesting“ auf dem Chip könnte den Bedarf an externer Kühlung und Strom erheblich reduzieren und so die Effizienz elektronischer Geräte steigern.

Elemente der Gruppe IV im Periodensystem, auch bekannt als Siliziumgruppe, bilden die Grundlage eines jeden elektronischen Geräts. Indem man sie zu Legierungen kombiniert, erweitern sich die Anwendungsbereiche auf Thermoelektrik, Photonik und Spintronik.

Langfristig rückt damit die Integration von Photonik, Elektronik und Thermoelektrik auf demselben Chip mit siliziumbasierter Technologie in Reichweite. Dies würde nicht nur die Leistung der Geräte verbessern, sondern auch die Entwicklung nachhaltigerer Technologien unterstützen.

Das Original

Originalpublikation: Room Temperature Lattice Thermal Conductivity of GeSn Alloys, by Omar Concepción, Jhonny Tiscareño-Ramírez, Ada Angela Chimienti, Thomas Classen, Agnieszka Anna Corley-Wiciak, Andrea Tomadin, Davide Spirito, Dario Pisignano, Patrizio Graziosi, Zoran Ikonic, Qing Tai Zhao, Detlev Grützmacher, Giovanni Capellini, Stefano Roddaro, Michele Virgilio*, and Dan Buca, ACS Appl. Energy Mater. 2024, 7, 10, 4394–4401, DOI: 10.1021/acsaem.4c00275

Professor Giovanni Capellini, Projektleiter am IHP, kommentiert „Mit dieser Veröffentlichung ist uns ein sehr wichtiger Schritt gelungen. Wir haben einen der kritischsten Parameter für ein thermoelektrisches Material, die thermische Leitfähigkeit, bewertet, indem wir eine Reihe verschiedener experimenteller Techniken an Proben mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen und Dicken angewendet haben“, erklärt „Unsere gemeinsame Forschung kann erhebliche Auswirkungen auf den Bereich der 'Green IT'-Infrastrukturen haben.“

Die Forschungsgruppen am Forschungszentrum Jülich und am IHP setzen ihre erfolgreiche Zusammenarbeit fort, um das Material weiterzuentwickeln. Ziel ist es, die Zusammensetzung der Legierung auf Silizium-Germanium-Zinn, SiGeSn, sowie die ultimative Gruppe-IV-Legierung unter Hinzunahme von Kohlenstoff, CSiGeSn, zu erweitern und damit ein funktionales thermoelektrisches Gerät herzustellen, mit dem sich das Potenzial der Energiegewinnung durch Gruppe-IV-Legierungen demonstrieren lässt.

Die Aktivität wird finanziell durch einen neu vergebenen DFG-Zuschuss „SiGeSn-Legierungen für die Energiegewinnung bei Raumtemperatur“ gefördert. Zusätzlich werden die Arbeiten durch das kooperative Promotionsprojekt „CMOS-Energiegewinnung für Big Data-Anwendungen“ unterstützt.

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