一種新型電子設備能精確、快速地控制熱量的開關。加州大學洛杉磯分校的科學家團隊首次推出了穩定的全固態熱晶體管，它利用電場控制半導體裝置的熱運動。該研究小組的研究報告最近發表在《科學》雜誌上，詳細介紹了該裝置的工作原理及其潛在應用。

加州大學洛杉磯分校的研究人員推出了一種新型固態熱晶體管，它將利用電場有效控制半導體的熱運動，這標誌著電腦晶片熱管理領域的重大進展，以及在了解人體熱調節方面的潛在應用。加州大學洛杉磯分校開發的固態熱晶體管利用電場控制熱運動的圖示。資料來源：H-Lab/加州大學洛杉磯分校

這種電晶體具有極快的速度和極高的性能，透過原子級設計和分子工程，可以為電腦晶片的熱管理開闢新的領域。這項進展也能進一步加深人們對人體熱調節方式的理解。

熱管理技術的飛躍

這項研究的合著者、加州大學洛杉磯分校塞繆爾里工程學院機械與航空航天工程教授胡永傑說：”精確控制熱量如何在材料中流動，一直是物理學家和工程師長期以來難以實現的夢想。這種新的設計原理在這方面實現了一大飛躍，因為它通過電場的通斷開關來管理熱量運動，就像幾十年來的電晶體管一樣。”

電子電晶體是現代資訊科技的基礎構件。它們由貝爾實驗室於20 世紀40 年代首次開發，有三個端子–閘極、源極和匯極。當電場通過閘極時，就會調節電流（以電子的形式）在晶片中的移動。這些半導體裝置可以放大或切換電訊號和功率。

但是，隨著多年來晶體管尺寸的不斷縮小，一個晶片上可以容納數十億個晶體管，電子運動產生的熱量也隨之增加，從而影響了晶片的性能。傳統的散熱器會被動地將熱量從熱點區域吸走，但要找到一種更動態的控制方法來主動調節熱量，仍然是一項挑戰。

克服以往的局限

雖然人們一直在努力調整熱導率，但由於依賴移動部件、離子運動或液態溶液成分，其性能受到了影響。這導致熱運動的開關速度很慢，只有幾分鐘或更慢，造成性能可靠性以及與半導體製造不相容的問題。

新型熱敏電晶體具有場效應（透過施加外部電場來調節材料的熱導率）和全固態（無活動部件）特性，不僅性能高，而且與半導體製造製程中的積體電路相容。團隊的設計結合了原子界面上電荷動力學的場效應，只需微不足道的功率就能實現高性能，連續切換和放大熱通量。

破紀錄的性能和潛在應用

加州大學洛杉磯分校團隊展示的電門熱電晶體實現了創紀錄的高效能，開關速度超過1 兆赫茲，即每秒100 萬次。它們還提供了1300% 的熱導可調性和超過100 萬次開關週期的可靠性能。

“這項工作是一項了不起的合作成果，在這項合作中，我們能夠利用對分子和界面的詳細了解，在控制重要材料特性方面邁出重要一步，並有可能對現實世界產生影響，”共同作者、化學和生物化學教授保羅-韋斯（Paul Weiss）說。”我們已經能夠將熱轉換效應的速度和大小提高到以前可能達到的數量級”。

在該團隊的概念驗證設計中，製造了一個自組裝分子介面，作為熱量移動的通道。透過第三端門開關電場，可以控制原子界面上的熱阻，使熱量在材料中精確流動。

研究人員透過光譜實驗驗證了電晶體的性能，並進行了第一原理理論計算，解釋了場對原子和分子特性的影響。

這項研究為晶片製造和性能方面的可持續能源提供了一種可擴展的技術創新。Hu認為，這個概念也為理解人體熱量管理提供了一種新方法。

胡永傑補充說：”在最基本的層面上，平台可以為活細胞的分子級機制提供見解。”

參考文獻：《電門控分子熱開關》，作者：Man Li、Huan Wu、Erin M. Avery、Zihao Qin、Dominic P. Goronzy、Huu Duy Nguyen、Tianhan Liu、Paul S. Weiss 和Yongjie Hu，2023 年11 月2 日，《科學》。

DOI: 10.1126/science.abo4297

編譯來源：ScitechDaily