開辟計算機芯片熱管理新領域！全固態熱晶體管精確控制熱量
【化工儀器網 項目成果】現代電子設備在使用過程中會產生大量被廢棄的熱量——這也是為什么筆記本電腦和手機等設備在使用時會變熱，所以它們都需要冷卻解決方案。在過去十年中，科學家已經對利用電管理熱量進行測試，這促進了電化學熱晶體管的發展，這種器件可以用來通過電信號控制熱量流動。目前，液態熱晶體管已投入使用，但存在嚴重的限制——任何泄漏都會導致設備停止工作。
熱晶體管大致由兩種材料組成，即活性材料和開關材料。活性材料具有可變的熱導率，而開關材料則用于控制活性材料的熱導率。固態電化學熱晶體管具有與液態電化學熱晶體管一樣有效的潛力，并突破了后者的任何限制。然而，開發實用熱晶體管的主要障礙是開關材料的高電阻，以及工作溫度高。
近日，美國加州大學洛杉磯分校研究人員推出了首個穩定的全固態熱晶體管，它使用電場來控制半導體器件的熱運動。該晶體管具有迄今最高的速度和性能，通過原子級設計和分子工程，可開辟計算機芯片熱管理的新領域。這一進展還有助于了解人體如何調節熱量。
在概念驗證設計中，團隊制造了一個自組裝分子界面，充當熱運動的管道。通過打開和關閉電場可控制原子界面上的熱阻，進而允許熱量精確地穿過材料。目前，團隊現已通過光譜實驗驗證了晶體管的性能，并進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(通過施加外部電場來調制材料的熱導率)和全固態(無移動部件)的優點，展現出高性能并與半導體集成電路制造工藝兼容。該團隊的設計結合了原子界面上電荷動力學的場效應，連續切換和放大熱通量所使用的功率幾乎可忽略不計。
同時，團隊展示的電門控熱晶體管實現了創紀錄的高性能，將熱開關效應的速度和規模比以前提高幾個數量級，開關速度超過1兆赫茲，其還具有1300%的熱導可調性以及超過100萬次開關周期的可靠性能。
精確控制熱量如何流經材料，長期以來一直是物理學家和工程師的夢想。這種通過電場的開關來管理熱運動的新設計原理，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，在非常基礎的層面上，該平臺可為活細胞的分子水平機制提供見解。
(資料來源：科技日報)
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