Une lueur d'espoir pour l'électronique extrême

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Les chercheurs de MSU ont développé un processus pour créer des circuits plus résistants, ce qu'ils ont démontré en créant un casque spartiate argenté. Le circuit a été conçu par Jane Manfredi, professeur adjoint au Collège de médecine vétérinaire. Crédit: Acta Materialia Inc./Elsevier

Résumé:
La technologie de pointe de demain aura besoin d'électronique capable de tolérer des conditions extrêmes. C'est pourquoi un groupe de chercheurs dirigé par Jason Nicholas de la Michigan State University construit aujourd'hui des circuits plus solides.

Une doublure en argent pour l'électronique extrême

East Lansing, MI | Publié le 30 avril 2021

Nicholas et son équipe ont développé des circuits en argent plus résistants à la chaleur avec une assistance de nickel. L'équipe a décrit le travail, qui a été financé par le US Department of Energy Solid Oxide Fuel Cell Program, le 15 avril dans la revue Scripta Materialia.

Les types d'appareils dont l'équipe MSU s'efforce de bénéficier - piles à combustible de nouvelle génération, semi-conducteurs à haute température et cellules d'électrolyse à oxyde solide - pourraient avoir des applications dans les secteurs de l'automobile, de l'énergie et de l'aérospatiale.

Bien que vous ne puissiez pas acheter ces appareils dans le commerce maintenant, les chercheurs les construisent actuellement dans des laboratoires pour les tester dans le monde réel, et même sur d'autres planètes.

Par exemple, la NASA a développé une cellule d'électrolyse à oxyde solide qui a permis au Mars 2020 Perseverance Rover de fabriquer de l'oxygène à partir de gaz dans l'atmosphère martienne le 22 avril. La NASA espère que ce prototype conduira un jour à un équipement permettant aux astronautes de créer du carburant pour fusée et de l'air respirable. tandis que sur Mars.

Cependant, pour aider ces prototypes à devenir des produits commerciaux, ils devront maintenir leurs performances à des températures élevées pendant de longues périodes, a déclaré Nicholas, professeur agrégé au College of Engineering.

Il a été attiré par ce domaine après des années d'utilisation de piles à combustible à oxyde solide, qui fonctionnent comme des cellules d'électrolyse à oxyde solide à l'envers. Plutôt que d'utiliser de l'énergie pour créer des gaz ou du carburant, ils créent de l'énergie à partir de ces produits chimiques.

«Les piles à combustible à oxyde solide fonctionnent avec des gaz à haute température. Nous sommes capables de faire réagir électrochimiquement ces gaz pour extraire l'électricité et ce processus est beaucoup plus efficace que l'explosion de carburant comme le fait un moteur à combustion interne », a déclaré Nicholas, qui dirige un laboratoire au Département de génie chimique et de science des matériaux.

Mais même sans explosion, la pile à combustible doit résister à des conditions de travail intenses.

«Ces appareils fonctionnent généralement entre 700 et 800 degrés Celsius, et ils doivent le faire pendant longtemps - 40,000 1,300 heures au cours de leur vie», a déclaré Nicholas. À titre de comparaison, cela représente environ 1,400 à XNUMX degrés Fahrenheit, soit environ le double de la température d'un four à pizza commercial.

«Et au cours de cette vie, vous le cyclisez thermiquement», a déclaré Nicholas. «Vous le refroidissez et le réchauffez. C'est un environnement très extrême. Vous pouvez faire sauter les fils de circuit. »

Ainsi, l'un des obstacles auxquels cette technologie de pointe est confrontée est plutôt rudimentaire: les circuits conducteurs, souvent en argent, doivent mieux coller aux composants céramiques sous-jacents.

Les chercheurs ont découvert que le secret pour améliorer l'adhérence était d'ajouter une couche intermédiaire de nickel poreux entre l'argent et la céramique.

En effectuant des expériences et des simulations informatiques de la façon dont les matériaux interagissent, l'équipe a optimisé la façon dont elle déposait le nickel sur la céramique. Et pour créer les couches minces et poreuses de nickel sur la céramique selon un motif ou un dessin de leur choix, les chercheurs se sont tournés vers la sérigraphie.

«C'est la même sérigraphie que celle utilisée pour fabriquer des T-shirts», a déclaré Nicholas. «Nous ne faisons que sérigraphier de l'électronique au lieu de chemises. C'est une technique très facile à fabriquer. »

Une fois le nickel en place, l'équipe le met en contact avec de l'argent fondu à une température d'environ 1,000 degrés Celsius. Le nickel résiste non seulement à cette chaleur - son point de fusion est de 1,455 XNUMX degrés Celsius - mais il répartit également l'argent liquéfié uniformément sur ses fines caractéristiques en utilisant ce qu'on appelle l'action capillaire.

«C'est presque comme un arbre», a déclaré Nicholas. «Un arbre obtient de l'eau jusqu'à ses branches par capillarité. Le nickel évacue l'argent fondu via le même mécanisme. »

Une fois que l'argent refroidit et se solidifie, le nickel le maintient verrouillé sur la céramique, même dans la chaleur de 700 à 800 degrés Celsius, il ferait face à l'intérieur d'une pile à combustible à oxyde solide ou d'une cellule d'électrolyse à oxyde solide. Et cette approche a également le potentiel d'aider d'autres technologies, où l'électronique peut chauffer.

«Il existe une grande variété d'applications électroniques qui nécessitent des circuits imprimés capables de résister à des températures élevées ou à une puissance élevée», a déclaré Jon Debling, directeur de la technologie chez MSU Technologies, le bureau de transfert et de commercialisation de technologie de l'État du Michigan. «Il s’agit d’applications existantes sur les marchés de l’automobile, de l’aérospatiale, de l’industrie et de l’armée, mais aussi sur les plus récentes comme les cellules solaires et les piles à combustible à oxyde solide.

En tant que directeur de la technologie, Debling travaille à la commercialisation des innovations Spartan et il travaille pour aider à breveter ce processus pour créer des composants électroniques plus résistants.

«Cette technologie est une amélioration significative - en termes de coût et de stabilité de la température - par rapport aux technologies existantes de dépôt de pâte et de vapeur», a-t-il déclaré.

Pour sa part, Nicholas reste très intéressé par les applications de pointe à l'horizon, comme les piles à combustible à oxyde solide et les cellules d'électrolyse à oxyde solide.

«Nous travaillons pour améliorer leur fiabilité ici sur Terre - et sur Mars», a déclaré Nicholas.

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Le professeur adjoint Hui-Chia Yu, le professeur Timothy Hogan et le professeur Thomas Bieler ont également contribué au projet. Les chercheurs étudiants diplômés du projet comprenaient Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen et Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande et Ma ont depuis obtenu leur diplôme).

L'un des coleaders du projet à l'Université Brown, le professeur Yue Qi, a également des liens avec MSU. Elle a été professeure et première doyenne associée de l'inclusion et de la diversité au College of Engineering jusqu'en 2020.

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Caroline Brooks

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