現(xiàn)代
電子設(shè)備在使用過程中會產(chǎn)生大量被廢棄的熱量——這也是為什么筆記本電腦和手機(jī)等設(shè)備在使用時會變熱，所以它們都需要冷卻解決方案。在過去十年中，科學(xué)家已經(jīng)對利用電管理熱量進(jìn)行測試，這促進(jìn)了電
化學(xué)熱晶體管的發(fā)展，這種器件可以用來通過電信號控制熱量流動。目前，液態(tài)熱晶體管已投入使用，但存在嚴(yán)重的限制——任何泄漏都會導(dǎo)致設(shè)備停止工作。
熱晶體管大致由兩種材料組成，即活性材料和開關(guān)材料。活性材料具有可變的熱導(dǎo)率，而開關(guān)材料則用于控制活性材料的熱導(dǎo)率。固態(tài)電化學(xué)熱晶體管具有與液態(tài)電化學(xué)熱晶體管一樣有效的潛力，并突破了后者的任何限制。然而，開發(fā)實用熱晶體管的主要障礙是開關(guān)材料的高電阻，以及工作溫度高。
近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員推出了首個穩(wěn)定的全固態(tài)熱晶體管，它使用電場來控制
半導(dǎo)體器件的熱運(yùn)動。該晶體管具有迄今最高的速度和性能，通過原子級設(shè)計和分子工程，可開辟計算機(jī)芯片熱管理的新領(lǐng)域。這一進(jìn)展還有助于了解人體如何調(diào)節(jié)熱量。
在概念驗證設(shè)計中，團(tuán)隊制造了一個自組裝分子界面，充當(dāng)熱運(yùn)動的管道。通過打開和關(guān)閉電場可控制原子界面上的熱阻，進(jìn)而允許熱量精確地穿過材料。目前，團(tuán)隊現(xiàn)已通過光譜實驗驗證了晶體管的性能，并進(jìn)行了第一性原理理論計算，解釋了場對原子和分子特性的影響。
新型熱晶體管具有場效應(yīng)(通過施加外部電場來調(diào)制材料的熱導(dǎo)率)和全固態(tài)(無移動部件)的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出高性能并與半導(dǎo)體集成電路制造工藝兼容。該團(tuán)隊的設(shè)計結(jié)合了原子界面上電荷動力學(xué)的場效應(yīng)，連續(xù)切換和放大熱通量所使用的功率幾乎可忽略不計。
同時，團(tuán)隊展示的電門控?zé)峋w管實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高性能，將熱開關(guān)效應(yīng)的速度和規(guī)模比以前提高幾個數(shù)量級，開關(guān)速度超過1兆赫茲，其還具有1300%的熱導(dǎo)可調(diào)性以及超過100萬次開關(guān)周期的可靠性能。
精確控制熱量如何流經(jīng)材料，長期以來一直是物理學(xué)家和工程師的夢想。這種通過電場的開關(guān)來管理熱運(yùn)動的新設(shè)計原理，朝該方向邁出了一大步。除此之外，這個概念還提供了一種理解人體熱量管理的新方法，在非?；A(chǔ)的層面上，該平臺可為活細(xì)胞的分子水平機(jī)制提供見解。
(資料來源：科技日報)
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