新设计的硅、锗和锡合金可以将计算机处理器产生的废热重新转化为电能

欧洲的一项研究合作创造了一种新的硅、锗和锡合金，可以将计算机处理器产生的废热重新转化为电能。这是片上能量收集材料开发领域的一项重大突破，它将带来更节能、更可持续的电子设备。从根本上说，通过在锗中添加锡，这种材料的热导率大大降低，同时仍能保持其电气特性，使其成为热电应用的理想材料。

这些研究人员分别来自德国尤利希研究中心、莱布尼茨高性能微电子研究所、意大利比萨大学、博洛尼亚大学和英国利兹大学。他们的研究成果登上了科学杂志《ACS 应用能源材料》的封面。

研究人员试图解决电子设备能耗不断增加的问题，因为大部分能耗都以热量的形式散失到环境中。在欧洲，IT 基础设施和设备每年浪费的低温热量约为 1.2 百万兆焦耳，大致相当于奥地利或罗马尼亚的能源消耗量。

解决的办法似乎是直接利用这些设备的低温热量（即低于 80°C 的温度）来制造计算机处理器。问题是，能将热量转化为电能的材料非常少，而且没有一种材料能与半导体制造厂的现有技术兼容。

研究人员创造的新型半导体合金由元素周期表第四主族中的所有元素组成，因此可以很容易地集成到芯片生产的 CMOS 工艺中。通过将这些合金集成到硅基计算机芯片中，就可以利用运行过程中产生的废热，并将其转化为电能。

尤利希研究中心研究小组组长 Dan Buca 博士解释说："在锗中添加锡可以显著降低材料的热导率，同时保持其电气性能，这是热电应用的理想组合。"

这项研究还可以提高设备的性能。通过利用第四族元素的合金特性，应用领域扩展到热电、光子和自旋电子学。这是因为每种技术都具有独特的功能：热电技术用于能量收集，光子学技术用于光基数据传输，自旋电子学技术用于磁基信息处理，在同一芯片上实现这些技术的单片集成一直是硅基技术雄心勃勃的长期目标。

例如，与传统的电子互连技术相比，光子元件可以实现更快的数据传输和更低的功耗。此外，通过在单个芯片上集成多种功能，而不是每种技术都需要单独的芯片，可以开发出更紧凑的设备。