趋势丨在芯片上进行“能量收集”，新技术应用破荒

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锗锡合金开启片上能量收集新篇章

据统计，仅在欧洲，每年就有约1.2艾焦耳的能量从IT基础设施、数据中心以及智能设备等设备中以热能的形式损失掉。

这个数值之大，足以与奥地利或罗马尼亚的一次能源消耗相媲美。

面对这一挑战，科学家们一直在寻找能够有效回收这些废热并将其转化为电能的方法。

热电材料，作为一种能够实现温差与电能之间直接转换的材料，受到了广泛的关注。

然而，传统的热电材料往往存在导热性能与电性能之间的权衡，难以满足高性能热电应用的需求。此外，这些材料还面临着与现有半导体制造技术兼容性的问题。

近日，来自德国、意大利和英国的研究人员共同宣布，他们在热电材料领域取得了重大突破。

他们成功开发出一种新型的锗锡（GeSn）合金，不仅具有出色的热电性能，而且能够轻松集成到标准的CMOS工艺中。

这一成果不仅为电子设备的能量回收提供了新的解决方案，也为未来的可持续技术发展奠定了坚实的基础。

一个新的里程碑

该研究的主要负责人，来自Forschungszentrum Jlich的研究小组负责人Dan Buca博士表示：“在锗中添加锡可以显著降低材料的导热性，同时保持其电气性能。这种组合使得GeSn合金成为热电应用的理想选择。”实验结果表明，GeSn合金的低热导率确实突显了其作为热电材料的巨大潜力。

锗锡合金的这一突破性发现，得益于多国研究团队之间的紧密合作。Forschungszentrum Jlich与德国IHP-莱布尼茨创新微电子研究所，以及意大利的比萨大学、博洛尼亚大学和英国的利兹大学共同参与了这项研究。

这种跨国界的科研合作，不仅加速了科学研究的进程，也为解决全球能源问题提供了更多的可能性。

值得注意的是，这一成果还受到了国际水文计划项目负责人Giovanni Capellini教授的高度评价。他表示：“我们的联合研究已经对‘绿色IT’基础设施领域产生了重大影响。通过这份出版物，我们迈出了非常重要的一步。”

Forschungszentrum Jlich和IHP的研究小组并未满足于目前的成果，他们正在继续深化合作，以进一步开发锗锡合金的性能。

他们的目标是将合金的成分扩展到硅-锗-锡（SiGeSn）合金，甚至最终添加碳形成IV族合金CSiGeSn。

通过这些努力，他们希望能够生产出一种功能性热电器件，充分展示IV族合金在能量产生方面的潜力。

此外，这项工作还得到了DFG新授予的赠款“用于室温发电的SiGeSn合金”的财政支持，以及合作博士项目“CMOS能源发电用于大数据应用”的支持。

新材料破能源消耗难题

热电元件的工作原理基于塞贝克效应，即当两种不同导体或半导体连接成闭合回路，且两个接点的温度不同时，回路中会产生电动势，从而在回路中产生电流。

这种效应使得热电元件能够将温差直接转化为电能，为废热回收提供了有效途径。

对于热电材料而言，低导热系数意味着更大的温度梯度，进而有利于提高能量转换效率。

GeSn合金正是凭借其独特的低导热性能，在众多热电材料中脱颖而出。

此外，由于锗和锡都来自元素周期表的第4主族，它们与半导体制造设施中的当前技术具有很好的兼容性，为集成到标准CMOS工艺中提供了便利。

这一突破性的发现不仅为电子设备的能量回收提供了新的解决方案，也为未来的可持续技术发展奠定了坚实的基础。

通过将光子学、电子学和热电学与硅基技术集成在同一芯片上，科学家们有望开发出更加高效、节能的设备。

这不仅有助于降源消耗，减少对环境的影响，还将推动整个电子行业的绿色转型。

结尾：

随着研究的深入和技术的进步，锗锡合金及其衍生物有望在热电发电、温度传感器、可穿戴电子设备等领域发挥重要作用。

总之，锗锡合金作为一种新型的热电材料，凭借其独特的性能和与CMOS工艺的兼容性，为电子设备的能量回收和可持续技术发展带来了新的希望。

内容参考来源于：半导体行业观察：片上能量收集，带来新突破！

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