开辟计算机芯片热管理新领域！全固态热晶体管精确控制热量
- 2023年11月06日 11:03:55来源：化工仪器网点击：5297
【化工仪器网 项目成果】现代电子设备在使用过程中会产生大量被废弃的热量——这也是为什么笔记本电脑和手机等设备在使用时会变热，所以它们都需要冷却解决方案。在过去十年中，科学家已经对利用电管理热量进行测试，这促进了电化学热晶体管的发展，这种器件可以用来通过电信号控制热量流动。目前，液态热晶体管已投入使用，但存在严重的限制——任何泄漏都会导致设备停止工作。
热晶体管大致由两种材料组成，即活性材料和开关材料。活性材料具有可变的热导率，而开关材料则用于控制活性材料的热导率。固态电化学热晶体管具有与液态电化学热晶体管一样有效的潜力，并突破了后者的任何限制。然而，开发实用热晶体管的主要障碍是开关材料的高电阻，以及工作温度高。
近日，美国加州大学洛杉矶分校研究人员推出了首个稳定的全固态热晶体管，它使用电场来控制半导体器件的热运动。该晶体管具有迄今最高的速度和性能，通过原子级设计和分子工程，可开辟计算机芯片热管理的新领域。这一进展还有助于了解人体如何调节热量。
在概念验证设计中，团队制造了一个自组装分子界面，充当热运动的管道。通过打开和关闭电场可控制原子界面上的热阻，进而允许热量精确地穿过材料。目前，团队现已通过光谱实验验证了晶体管的性能，并进行了第一性原理理论计算，解释了场对原子和分子特性的影响。
新型热晶体管具有场效应(通过施加外部电场来调制材料的热导率)和全固态(无移动部件)的优点，展现出高性能并与半导体集成电路制造工艺兼容。该团队的设计结合了原子界面上电荷动力学的场效应，连续切换和放大热通量所使用的功率几乎可忽略不计。
同时，团队展示的电门控热晶体管实现了创纪录的高性能，将热开关效应的速度和规模比以前提高几个数量级，开关速度超过1兆赫兹，其还具有1300%的热导可调性以及超过100万次开关周期的可靠性能。
精确控制热量如何流经材料，长期以来一直是物理学家和工程师的梦想。这种通过电场的开关来管理热运动的新设计原理，朝该方向迈出了一大步。除此之外，这个概念还提供了一种理解人体热量管理的新方法，在非常基础的层面上，该平台可为活细胞的分子水平机制提供见解。
(资料来源：科技日报)
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