Métamatériaux pour transformer l’électronique

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dont les propriétés ne se trouvent pas dans la nature. L’émergence des métamatériaux devrait avoir un impact significatif sur une variété d’applications électroniques. Ces matériaux non naturels pourraient avoir un impact similaire à la technologie « MEMS » (système micro-électromécanique), avec le potentiel d’apporter des changements transformationnels.

Cette FAQ initiale examinera brièvement les applications possibles à court terme, y compris la gestion thermique, les capteurs, l’optique avancée et les applications acoustiques, avant de conclure par un regard sur l’avenir et la possibilité de métamatériaux programmables. La deuxième FAQ portera sur « Métamatériaux, antennes à ondes millimétriques, radar 3D et formation de faisceaux holographiques » et la troisième partie se penchera sur « Métamatériaux pour la puissance et l’énergie ». Cette FAQ comprend des exemples commerciaux actuels ainsi que des activités de recherche et développement liées aux métamatériaux pour diverses applications dans les systèmes électroniques.

Les métamatériaux sont fabriqués à partir d’assemblages d’éléments multiples constitués de matériaux composites tels que des métaux, des plastiques, des céramiques, etc. Les propriétés des métamatériaux ne sont pas basées sur les propriétés des matériaux de base. Ils sont basés sur l’ingénierie de la structure physique du matériau. Les métamatériaux s’appuient sur une géométrie, une taille, une orientation et un agencement précis pour dériver leurs propriétés qui vont au-delà de ce qui est possible avec des matériaux naturels. Le nom métamatériau est dérivé du mot grec meta signifiant « au-delà » et du mot latin materia, signifiant « matière » ou « matériel ».

Le génie électrique, les semi-conducteurs, l’électromagnétisme, l’ingénierie des micro-ondes et des antennes, l’optoélectronique, l’optique classique, la physique du solide, les sciences des matériaux et la nanoingénierie font partie des disciplines qui contribuent aux progrès des métamatériaux.

Gestion thermique et métamatériaux

Les métamatériaux thermiques pourraient aider à dissiper la chaleur de manière déterministe et à éviter la diaphonie thermique et les points chauds locaux dans les emballages semi-conducteurs avancés tels que les dispositifs 2.5D et 3D. Voici trois exemples d’utilisation de métamatériaux dans la gestion thermique :

• Les écrans thermiques protègent une zone du flux de chaleur diffusif transitoire.
• Les concentrateurs thermiques concentrent le flux thermique sur une petite zone.
• Les onduleurs thermiques (également appelés rotateurs thermiques) modifient la direction du gradient thermique dans une zone.

L’émergence de la nanoélectronique, des circuits intégrés (CI) 3D et de l’électronique flexible rend la gestion thermique de plus en plus difficile. Par exemple, dans les boîtiers 2.5D, la puissance logique et le nombre de couches de mémoire à bande passante élevée (HBM) continuent de croître. L’un des défis critiques des boîtiers 2.5D est la diaphonie thermique, car la puce logique et le HBM sont placés à proximité l’un de l’autre tout en nécessitant des températures de fonctionnement différentes. Les métamatériaux thermiques peuvent être utilisés pour améliorer la dissipation thermique en cas de besoin et fournir un blindage thermique, réduisant ainsi la diaphonie thermique.

D’autres films de métamatériaux devraient être hautement évolutifs à la taille des bâtiments ou des installations industrielles avec la capacité de « se refroidir eux-mêmes » dans des conditions de lumière du jour sans avoir besoin de consommation d’électricité ou d’eau. Cette architecture de refroidissement passif est conçue pour réfléchir la lumière solaire tout en rayonnant simultanément de la chaleur vers le ciel froid à travers une fenêtre de transparence infrarouge atmosphérique. Par rapport aux systèmes de refroidissement par air conventionnels basés sur la conduction et la convection, un module de refroidissement passif basé sur des films de métamatériaux devrait faire baisser la température du condenseur d’au moins 13 ° C, avec une dissipation nette d’eau nulle dans l’atmosphère, ce qui correspond à une augmentation d’au moins 3% de l’efficacité.

Applications acoustiques

Un métamatériau acoustique, parfois appelé cristal sonique ou cristal phononique, est un matériau conçu pour contrôler, diriger et / ou manipuler des ondes sonores, ou phonons. Les phonons sont responsables de la conduction thermique dans les solides. En conséquence, les cristaux phononiques peuvent être conçus pour contrôler le transfert de chaleur.

Les applications typiques de l’ingénierie acoustique comprennent le contrôle du bruit, les ultrasons médicaux et la reproduction ou le blindage sonore. La direction du son à travers un milieu donné peut être contrôlée à l’aide de métamatériaux acoustiques pour manipuler l’indice de réfraction acoustique. En outre, le contrôle des ondes sonores peut être réalisé en contrôlant des paramètres de matériau spécifiques tels que le module de volume β, la densité ρ et la chiralité. Les métamatériaux acoustiques peuvent être conçus pour transmettre ou pour piéger et amplifier des fréquences spécifiques d’ondes sonores. On l’appelle un résonateur acoustique lorsque les ondes sonores sont piégées et amplifiées.

Les premières applications industrielles réussies des métamatériaux acoustiques ont été testées pour l’isolation acoustique dans les avions. Les domaines de recherche sur les métamatériaux acoustiques vont de la réflexion des ondes sismiques et des technologies de contrôle des vibrations liées aux tremblements de terre, à l’imagerie ultrasonique / acoustique et à la détection de précision.

Métamatériaux photoniques, super lentilles et lidar

Un métamatériau photonique (PM), également connu sous le nom de métamatériau optique, interagit avec la lumière, couvrant les longueurs d’onde térahertz (THz), infrarouge (IR) ou visibles. Comme avec d’autres métamatériaux, un PM emploie une structure cellulaire périodique, ce qui le différencie de la bande interdite photonique ou des structures cristallines photoniques.

Les cellules sont sur une échelle qui est des magnitudes plus grandes qu’un atome, mais beaucoup plus petites que la longueur d’onde rayonnée, sont de l’ordre du nanomètre. Les applications envisagées des particules comprennent l’optique de masquage et de transformation, qui produit des variations spatiales dérivées de transformations de coordonnées et peut diriger des largeurs de bande choisies de rayonnement électromagnétique. Les applications à court terme comprennent le développement de super lentilles, de dispositifs holographiques avancés et de lidar.

Une super lentille plane (également appelée metalens) a été développée qui fonctionne avec une efficacité élevée dans le spectre visible de la lumière couvrant la gamme du rouge au bleu, et va au-delà de la limite de diffraction. La lentille peut résoudre des caractéristiques à l’échelle nanométrique séparées par des distances inférieures à la longueur d’onde de la lumière. Il utilise un réseau ultramince de minuscules guides d’ondes, connus sous le nom de métasurface, qui courbe la lumière lorsqu’elle la traverse.

Il est fabriqué avec du dioxyde de titane, un matériau commun que l’on trouve dans la peinture et les écrans solaires, pour créer le réseau nanométrique de nanostructures lisses et à rapport d’aspect élevé (planaires). Contrairement aux lentilles conventionnelles, qui nécessitent un polissage précis, cette super lentille est produite en une seule étape lithographique. Les métallenses trouvent actuellement des applications dans les systèmes holographiques avancés.

La direction du faisceau est une partie importante des applications émergentes allant de la téléphonie 5G aux systèmes lidar. Actuellement, la plupart des systèmes de direction de faisceau sont basés sur un balayage mécanique, ce qui entraîne des problèmes de fiabilité, de coût et de facteur de forme, et peut également limiter les capacités de performance du système. Une nouvelle technologie de direction de faisceau pour les systèmes lidar a été développée à l’aide d’une métasurface à cristaux liquides, permettant un système totalement à semi-conducteurs avec une résolution, une portée et des fréquences d’images supérieures à celles des homologues à balayage mécanique. Le laser interne est dirigé sur la puce semi-conductrice réfléchissante. La direction de réflexion de la puce est programmable. En fonction de la configuration des métamatériaux sur la surface de la puce (qui est sous contrôle logiciel), la direction du faisceau réfléchi est programmable. Il peut être pointé dans n’importe quelle direction et dans n’importe quelle séquence.

Métamatériaux programmables

Les métamatériaux et leurs homologues bidimensionnels, les métasurfaces, peuvent fournir un contrôle puissant sur les ondes électromagnétiques (EM) des micro-ondes au visible. Un métamatériau peut devenir programmable en développant la capacité d’introduire un contrôle explicite de ses cellules unitaires de sous-longueur d’onde. Il peut être possible de manipuler plusieurs fonctions EM dans un seul métamatériau ou métasurface grâce à un contrôle logiciel.

Des recherches sont actuellement menées pour fournir à divers métamatériaux un moyen de s’adapter de manière autonome à leur environnement et / ou de communiquer avec d’autres éléments de métamatériaux, permettant de nouvelles classes de dispositifs pour la détection, l’imagerie et les communications. Une approche consiste à développer un métamatériau équivalent aux FPGA (Field Programmable Gate Arrays) actuels qui pilote une version numérisée d’un métamatériau reconfigurable.

L’objectif est le développement de métamatériaux intelligents et auto-adaptatifs. L’un des défis les plus difficiles dans le développement de métamatériaux programmables est d’atteindre des taux de rafraîchissement suffisamment élevés pour permettre des changements significatifs dans les propriétés des matériaux en temps réel lorsqu’il s’agit d’environnements à haute fréquence, y compris les ondes millimétriques et les ondes THz.

Selon l’application, des taux de rafraîchissement de l’ordre du kHz ou même de la gamme MHz seront nécessaires. Les applications initiales des métamatériaux programmables devraient inclure les communications sans fil, l’imagerie médicale et l’holographie.

Comme on le voit, les métamatériaux ont le potentiel d’avoir un impact transformationnel sur une variété de systèmes et d’applications électroniques. La deuxième FAQ portera sur « Métamatériaux, antennes à ondes millimétriques, radar 3D et formation de faisceaux holographiques » et la troisième partie se penchera sur « Métamatériaux pour la puissance et l’énergie ».

Références

Métamatériau acoustique, Wikipedia Metalens travaille dans le spectre visible, voit plus petit qu’une longueur d’onde de lumière, Harvard
Metamaterial, Wikipedia

Metamaterials-Enabled Passive Radiative Cooling Films, PARC
Programmable Metamaterials for Software-Defined Electromagnetic Control: Circuits, Systems, and Architectures, IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems
Recent Advances in Thermal Metamaterials and their Future Applications for Electronics Packaging, Journal of Electronic Packaging