電子晶體管是現(xiàn)代電子學(xué)的核心。這些設(shè)備精確地控制電流，但在這樣做的過程中，它們會(huì)產(chǎn)生熱量。現(xiàn)在，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員開發(fā)了一種固態(tài)熱晶體管，這是同類設(shè)備中第一種可以利用電場(chǎng)控制熱量通過電子設(shè)備流動(dòng)的設(shè)備。他們的研究最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，展示了這項(xiàng)新技術(shù)的能力。

該研究的主要作者、加州大學(xué)洛杉磯分校機(jī)械和航空航天工程教授Yongjie Hu表示：“工程師和科學(xué)家一直強(qiáng)烈希望像控制電子設(shè)備一樣控制傳熱，但這非常具有挑戰(zhàn)性。”

從歷史上看，電子產(chǎn)品都是用散熱器冷卻的，散熱器被動(dòng)地吸收多余的熱量。也有人提出了更積極的熱管理方法，但這些方法通常依賴于移動(dòng)部件或流體，可能需要很長(zhǎng)時(shí)間——通常是幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)——才能提高或降低材料的熱導(dǎo)率。有了熱晶體管，研究人員可以更快、更精確地主動(dòng)調(diào)節(jié)熱流。這種速度使其成為了管理電子設(shè)備熱量的一種很有前途的選擇。

與電子晶體管類似，加州大學(xué)洛杉磯分校小組的熱晶體管也使用電場(chǎng)來調(diào)制通道的電導(dǎo)，在這種情況下是熱導(dǎo)而不是電導(dǎo)。這是通過研究人員設(shè)計(jì)的籠狀分子薄膜完成的，該薄膜充當(dāng)晶體管的溝道；施加電場(chǎng)使薄膜中的分子鍵更強(qiáng)，從而增加了薄膜的熱導(dǎo)率。“我們的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上只有一個(gè)分子薄，”加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)、生物工程和材料科學(xué)教授、該研究的合著者Paul Weiss說。

有了這個(gè)單分子層，研究人員能夠在超過1兆赫的頻率下達(dá)到電導(dǎo)率的最大變化，比其他熱管理系統(tǒng)快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。分子運(yùn)動(dòng)通常控制其他類型的熱開關(guān)中的熱流。但Weiss解釋說，與電子的運(yùn)動(dòng)相比，分子的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)緩慢。通過利用電場(chǎng)，研究人員能夠加快從millihertz到megahertz頻率的轉(zhuǎn)換。

分子運(yùn)動(dòng)也不能在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)如此大的熱導(dǎo)率差。相比之下，加州大學(xué)洛杉磯分校的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了13倍的差異。Weiss說：“無論是在數(shù)量還是速度上，這確實(shí)是一個(gè)巨大的差異。”

有了這些改進(jìn)，該設(shè)備對(duì)冷卻處理器可能很重要。晶體管在半導(dǎo)體方面尤其有前景，因?yàn)榕c其他主動(dòng)能量耗散途徑相比，它們只需少量的功率就能控制熱流。Hu說，許多熱晶體管也可以像電子晶體管一樣集成在同一塊芯片上。

特別是，熱晶體管可以在新的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中有效地管理熱量，例如在3D堆疊的小芯片中，它們可以減少熱點(diǎn)，從而在小芯片的設(shè)計(jì)中允許更多的自由度。Hu說，它們還可以幫助冷卻由氮化鎵和碳化硅等寬帶隙半導(dǎo)體制成的電力電子產(chǎn)品。

除了這些在電子學(xué)中的應(yīng)用，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員在熱晶體管方面的工作還可以深入了解活細(xì)胞如何調(diào)節(jié)溫度的分子水平機(jī)制。Hu認(rèn)為，在我們的細(xì)胞中，熱流和電勢(shì)之間可能存在類似的作用。在另一個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目中，他正在研究離子通道的機(jī)制，離子通道是作為控制離子在細(xì)胞膜上流動(dòng)的閘門的蛋白質(zhì)。Hu表示，當(dāng)談到人體內(nèi)的熱流時(shí)，“生理學(xué)上已經(jīng)建立了宏觀的圖景；然而，分子水平的機(jī)制在很大程度上仍然未知。”

馬德里材料科學(xué)研究所的高級(jí)研究員Miguel Mu?oz Rojo說：“我認(rèn)為我們生活在一種熱復(fù)興中。”

Mu?oz Rojo對(duì)熱晶體管增加熱管理技術(shù)庫存的可能性感到興奮，并對(duì)將其用于廣泛的大規(guī)模應(yīng)用的可能性感興趣，如制冷，以及電子產(chǎn)品的納米級(jí)冷卻。他和他的同事、斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(xué)熱能工程教授Andrej Kitanovski正在共同開發(fā)這些熱管理技術(shù)。對(duì)于Mu?oz Rojo來說，這種潛在用途使熱敏晶體管成為熱管理技術(shù)的巔峰。

休斯頓萊斯大學(xué)機(jī)械工程助理教授Geoff Wehmeyer表示，這項(xiàng)技術(shù)的演示是一個(gè)令人興奮的進(jìn)步，可能會(huì)激勵(lì)更多的基礎(chǔ)研究。“看看熱能工程師是否能找到將這些分子熱開關(guān)集成到電子或電池的可切換熱管理系統(tǒng)中的方法，這將是一件有趣的事情。”

雖然這一概念的證明很有希望，但加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員承認(rèn)，這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段。Hu說，今后他們的目標(biāo)是進(jìn)一步提高該設(shè)備的性能。

審核編輯：劉清