Thermoelektrisches Material 09.07.2024, 07:00 Uhr

Meilenstein: Neues Chip-Material ermöglicht Energierückgewinnung

Forschende haben eine vielversprechende Germanium-Zinn-Legierung entwickelt, die als thermoelektrisches Material die Abwärme von Chips in Elektrizität umwandeln könnte. Die Entdeckung ebnet den Weg für effizientere elektronische Geräte und nachhaltigere Technologien durch „On-Chip Energy Harvesting“.

Abbildung der 4. Gruppe im Periodensystem, zu der Germanium-Zinn-Legierungen gehören.

Forschende sind auf eine neue Material-Kombination gestoßen, mit der sich die Effizienz elektronischer Geräte deutlich verbessern ließe.

Foto: Titelbild der Zeitschrift ACS Applied Energy Materials – ACS Volume 7, Issue 13 (CC-BY 4.0)

Einem internationalen Forschungsteam ist ein bedeutender Schritt bei der Entwicklung eines neuartigen Materials gelungen, das zukünftig die Rückgewinnung von Energie direkt auf dem Chip ermöglichen könnte. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, Italien und Großbritannien haben eine Legierung aus Germanium und Zinn geschaffen, die als thermoelektrisches Material die Abwärme von Prozessoren in elektrische Energie umwandeln kann. Da alle beteiligten Elemente der 4. Hauptgruppe des Periodensystems angehören, lässt sich die innovative Halbleiterlegierung problemlos in den gängigen CMOS-Prozess der Chipproduktion integrieren.

Was sind Halbleiter und wo werden sie angewendet?

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Elektronische Geräte gehören zum täglichen Leben. Sie werden tendenziell eher zunehmen. Das führt gleichzeitig zu einem rasanten Anstieg des Energieverbrauchs. Ein beträchtlicher Anteil davon wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben und geht damit verloren. Allein in Europa entweichen jährlich rund 1,2 Exajoule aus IT-Infrastrukturen, Rechenzentren und intelligenten Geräten – eine Energiemenge, die dem Primärenergieverbrauch von Österreich oder Rumänien entspricht. Die Nutzung dieser Niedertemperaturwärme unter 80 Grad Celsius gestaltet sich aufgrund der geringen thermodynamischen Effizienz und technologischer Hürden als äußerst schwierig.

Chip-Material: Kombination für thermoelektrische Anwendungen

Die Rückführung der Abwärme wäre ein idealer Ansatz. Bislang scheitert es an den Materialien. Denn nur wenige können Wärme effektiv in Strom umwandeln. Hinzu kommt: Keine davon ist mit den aktuellen Halbleiterprozessen kompatibel. Nun hat eine Kooperation zwischen dem Forschungszentrum Jülich, dem IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, der Universität Pisa, der Universität Bologna und der Universität Leeds jedoch zu einem ersten Erfolg geführt. Dem Team gelang ein Meilenstein bei der Entwicklung eines solchen Materials, das sich für die Energiegewinnung auf Chips eignet und nahtlos in die CMOS-Fertigung integrieren lässt.

„Das Hinzufügen von Zinn zu Germanium reduziert die thermische Leitfähigkeit erheblich, während die elektrischen Eigenschaften beibehalten werden – eine ideale Kombination für thermoelektrische Anwendungen“, erläutert Dan Buca, Leiter der Forschungsgruppe am Forschungszentrum Jülich. In verschiedenen Tests konnte die Gruppe die niedrige thermische Leitfähigkeit des Kristallgitters nachweisen. Das zeige, welch enormes Potenzial diese GeSn-Legierungen als thermoelektrisches Material aufweisen. Durch die Integration in siliziumbasierte Mikrochips könne die im Betrieb entstehende Abwärme genutzt und in elektrische Energie umgewandelt werden. Mit diesem „Energy Harvesting“ direkt auf dem Chip ließe sich der Bedarf an externer Kühlung und Stromversorgung deutlich senken und somit die Effizienz elektronischer Geräte steigern.

Legierungen aus der Gruppe IV als Basis für effiziente Chips

Die als Siliziumgruppe bekannten Elemente der Gruppe IV im Periodensystem liefern die Grundlage jedes elektronischen Geräts. Nutzt man sie kombiniert mit Legierungen, eröffnen sich weitreichende Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Thermoelektrik, Photonik und Spintronik. Denkt man noch einen Schritt weiter, wäre es künftig auch möglich, Photonik, Elektronik und Thermoelektrik auf einem einzigen Chip mit siliziumbasierter Technologie zu integrieren. Dadurch verbessert sich sicherlich die Leistungsfähigkeit der Geräte und auch die Entwicklung nachhaltigerer Technologien ließe sich so vorantreiben. Die Forschenden sind sich sicher, einen echten Durchbruch geschafft zu haben. Vor allem, weil ihre Ergebnisse Auswirkungen auf den Bereich der ‚Green IT‘-Infrastrukturen haben könnten.

Deshalb arbeiten sie gemeinsam schon daran, das Material weiterzuentwickeln. Ihr Ziel: 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 zu produzieren, mit dem sich das Potenzial der Energiegewinnung durch Gruppe-IV-Legierungen demonstrieren lässt. Und so funktioniert ein thermoelektrisches Element: Ein bestehendes Temperaturgefälle regt einen Fluss von elektrischen Ladungsträgern an und erzeugt so einen elektrischen Strom. Das lässt sich nutzen, indem man Abwärme in elektronischen Geräten verwertet. Am Ende wird diese in nutzbare Energie umgewandelt und gleichzeitig sogar der gesamte Energieverbrauch reduziert. Voraussetzung ist eine geringe Wärmeleitfähigkeit, denn so entsteht ein größeres Temperaturgefälle, was entscheidend ist für eine effiziente Energieumwandlung. Aus diesem Grund betrachten die Forschenden GeSn-Legierungen mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit als besonders geeignet, ein ebensolches Temperaturgefälle zu erzeugen. Das nutzt zudem auch der thermoelektrischen Effizienz.

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

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

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