現(xiàn)代
電子設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)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(shí)會(huì)變熱，所以它們都需要冷卻解決方案。在過(guò)去十年中，科學(xué)家已經(jīng)對(duì)利用電管理熱量進(jìn)行測(cè)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(lái)通過(guò)電信號(hào)控制熱量流動(dòng)。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(huì)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(kāi)關(guān)材料。活性材料具有可變的熱導(dǎo)率，而開(kāi)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(kāi)發(fā)實(shí)用熱晶體管的主要障礙是開(kāi)關(guān)材料的高電阻，以及工作溫度高。
近日，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員推出了首個(gè)穩(wěn)定的全固態(tài)熱晶體管，它使用電場(chǎng)來(lái)控制
半導(dǎo)體器件的熱運(yùn)動(dòng)。該晶體管具有迄今最高的速度和性能，通過(guò)原子級(jí)設(shè)計(jì)和分子工程，可開(kāi)辟計(jì)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(yàn)證設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)自組裝分子界面，充當(dāng)熱運(yùn)動(dòng)的管道。通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉電場(chǎng)可控制原子界面上的熱阻，進(jìn)而允許熱量精確地穿過(guò)材料。目前，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已通過(guò)光譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了晶體管的性能，并進(jìn)行了第一性原理理論計(jì)算，解釋了場(chǎng)對(duì)原子和分子特性的影響。
新型熱晶體管具有場(chǎng)效應(yīng)(通過(guò)施加外部電場(chǎng)來(lái)調(diào)制材料的熱導(dǎo)率)和全固態(tài)(無(wú)移動(dòng)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(duì)的設(shè)計(jì)結(jié)合了原子界面上電荷動(dòng)力學(xué)的場(chǎng)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(jì)。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)展示的電門控?zé)峋w管實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高性能，將熱開(kāi)關(guān)效應(yīng)的速度和規(guī)模比以前提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，開(kāi)關(guān)速度超過(guò)1兆赫茲，其還具有1300%的熱導(dǎo)可調(diào)性以及超過(guò)100萬(wàn)次開(kāi)關(guān)周期的可靠性能。
精確控制熱量如何流經(jīng)材料，長(zhǎng)期以來(lái)一直是物理學(xué)家和工程師的夢(mèng)想。這種通過(guò)電場(chǎng)的開(kāi)關(guān)來(lái)管理熱運(yùn)動(dòng)的新設(shè)計(jì)原理，朝該方向邁出了一大步。除此之外，這個(gè)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(chǔ)的層面上，該平臺(tái)可為活細(xì)胞的分子水平機(jī)制提供見(jiàn)解。
(資料來(lái)源：科技日?qǐng)?bào))
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