Projet ANR-12-JS03-0006 – NOE : Nanostructures pour l’Optimisation Énergétique
Programme : JCJC - SIMI 3 - Matériels et logiciels pour les systèmes et les communications (JCJC SIMI 3)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Jérôme SAINT-MARTIN (Université Paris-Sud 11 / Institut d'Electronique Fondamentale)
Partenaires : Institut d'Électronique Fondamentale
Montant : 116698.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 42 mois
Résumé : Nanostructures pour l’Optimisation ÉnergétiquePour rendre notre consommation d'électricité plus durable, une gestion efficace de la récupération de l'énergie thermique est un enjeu essentiel. Dans ce contexte, les nanostructures semi-conductrices devraient permettre d'améliorer considérablement l'efficacité énergétique des composants électroniques.
La conversion thermoelectrique à l'échèle nanométriqueL'objectif scientifique du projet Noé est d'étudier, à un niveau fondamental, la physique du transport couplé des électrons et des phonons dans les nanostructures, et de proposer de nouvelles structures permettant une conversion efficace d'énergie.
Modélisation numériqueUne chaîne logicielle complète de l'atome au circuit sera codée. Une approche atomistique semi-empirique sera utilisée pour calculer les dispersions d'énergie et les mécanismes d'interactions. Deux types de formalismes de transport (Boltzmann et Green) seront utilisés pour simuler respectivement des nanofils et des nanostructures de graphène.
Résumé de la soumission : Pour rendre notre consommation d'électricité plus durable, une gestion efficace de la récupération de l'énergie thermique est un enjeu essentiel. Dans ce contexte, les nanostructures semi-conductrices devraient permettre d'améliorer considérablement l'efficacité énergétique des composants électroniques. Par exemple les nanogénérateurs thermoélectriques qui sont capables de recycler l'énorme quantité d'énergie gaspillée dans les moteurs thermiques ou dans les circuits électroniques sont très prometteurs. On peut aussi penser à récupérer  l'énergie cinétique transportée par un liquide en mouvement  pour alimenter les systèmes embarqués. Ces conversions électromécaniques devraient émerger comme un mécanisme de conversion récupération d'énergie très intéressant, par exemple, dans un environnement biologique.L'optimisation de l'efficacité dans de tels convertisseurs d'énergie utilisant des nanostructures nécessite une bonne compréhension du transport électronique et thermique à l'échelle nanométrique. Malheureusement, les modèles macroscopiques basés sur l'équation de la diffusion de la chaleur et sur les modèles dérive-diffusion, ne donnent pas une  description précise du problème thermique dans les nanocomposants dont les dimensions sont plus petites que le libre parcours moyen des porteurs de charges ou de chaleur. Les influences des effets hors équilibres et des phénomènes quantiques nécessitent le développement de modèles avancés. . Pour finaliser l'optimisation des dispositifs, tous les aspects doivent être envisagés : structure des matériaux, l'architecture des dispositifs ainsi que les performances finales dans un environnement réaliste à l'échelle du circuit doivent être envisagées.L'objectif scientifique du projet Noé est d'étudier, à un niveau fondamental, la physique du transport couplé des électrons et des phonons dans les nanostructures, et de proposer de nouvelles structures permettant une conversion efficace d'énergie. D'une part, les performances thermoélectriques de nanofils Si/SiGe seront évaluées et des règles de conception seront proposées. D'autre part, une prospection plus fondamentale de la conversion d'énergie en utilisant des nano-structures de graphène sera effectuée. Les conversions thermoélectriques et même électromécaniques seront explorées ainsi que la conversion électromécanique plus exotique.Pour étudier les générateurs recyclant l'énergie, une chaîne logicielle complète de l'atome au circuit sera codée. Une approche atomistique semi-empirique sera utilisée pour calculer les dispersions d'énergie et les mécanismes d'interactions. Deux types de formalismes de transport (Boltzmann et Green) seront utilisés pour simuler respectivement des nanofils et des nanostructures de graphène. D'une part, un simulateur Monte Carlo électron et phonon sera construit. D'autre part un simulateur de dispositif basé sur le formalisme NEGF atomistique gérant les mécanismes d'interactions pertinents sera développé. Enfin, les simulateurs de dispositifs seront utilisés pour calibrer  des modèles semi-analytiques de circuits pour évaluer la performance finale des nanostructures.Le succès du projet Noé - qui prévoit de fournir des règles d'optimisation pour les nano-convertisseurs d'énergie - va potentiellement ouvrir la route à de nombreuses applications commerciales (en proposant des alternatives aux micro-batteries pour alimenter par exemple des systèmes embarqués pour la biologie) et contribuera à l'utilisation plus durable de l'énergie électrique. Par ailleurs, tous les codes développés dans ce projet, intéressant largement communauté des nanotechnologies, visent à être diffusés sous une licence "open source". La plateforme logicielle Noé  vise aussi à être utilisée dans les programmes de master et dans le programme "nano-société" du Labex NanoSaclay pour familiariser un large public aux nanotechnologies.
Résultats : D'une part, les performances thermoélectriques de nanofils Si/SiGe seront évaluées et des règles de conception seront proposées. D'autre part, une prospection plus fondamentale de la conversion d'énergie en utilisant des nano-structures de graphène sera effectuée.
Perspectives : Le projet Noé prévoit de fournir des règles d'optimisation pour les nano-convertisseurs d'énergie qui vont potentiellement ouvrir la route à de nombreuses applications commerciales (en proposant des alternatives aux micro-batteries pour alimenter par exemple des systèmes embarqués pour la biologie) et contribuera à l'utilisation plus durable de l'énergie électrique.
Publications et brevets : Tous les codes développés dans ce projet, intéressant largement communauté des nanotechnologies, visent à être diffusés sous une licence «open source«.