一种新型电子设备能精确、快速地控制热量的开关。加州大学洛杉矶分校的一个科学家小组首次推出了一种稳定的全固态热晶体管，它利用电场控制半导体器件的热运动。该研究小组的研究报告最近发表在《科学》杂志上，详细介绍了该装置的工作原理及其潜在应用。

加州大学洛杉矶分校的研究人员推出了一种新型固态热晶体管，它能利用电场有效控制半导体的热运动，这标志着计算机芯片热管理领域的重大进展，以及在了解人体热调节方面的潜在应用。加州大学洛杉矶分校开发的固态热晶体管利用电场控制热运动的图示。资料来源：H-Lab/加州大学洛杉矶分校

这种晶体管具有极快的速度和极高的性能，通过原子级设计和分子工程，可以为计算机芯片的热管理开辟新的领域。这一进展还能进一步加深人们对人体热量调节方式的理解。

热管理技术的飞跃

这项研究的合著者、加州大学洛杉矶分校塞缪尔里工程学院机械与航空航天工程教授胡永杰说："精确控制热量如何在材料中流动，一直是物理学家和工程师长期以来难以实现的梦想。这种新的设计原理在这方面实现了一大飞跃，因为它通过电场的通断开关来管理热量运动，就像几十年来的电晶体管一样。"

电子晶体管是现代信息技术的基础构件。它们由贝尔实验室于 20 世纪 40 年代首次开发，有三个端子--栅极、源极和汇极。当电场通过栅极时，就会调节电流（以电子的形式）在芯片中的移动。这些半导体器件可以放大或切换电信号和功率。

但是，随着多年来晶体管尺寸的不断缩小，一个芯片上可以容纳数十亿个晶体管，电子运动产生的热量也随之增加，从而影响了芯片的性能。传统的散热器会被动地将热量从热点区域吸走，但要找到一种更动态的控制方法来主动调节热量，仍然是一项挑战。

克服以往的局限

虽然人们一直在努力调整热导率，但由于依赖于移动部件、离子运动或液态溶液成分，其性能受到了影响。这导致热运动的开关速度很慢，只有几分钟或更慢，从而造成性能可靠性以及与半导体制造不兼容的问题。

新型热敏晶体管具有场效应（通过施加外部电场来调节材料的热导率）和全固态（无活动部件）特性，不仅性能高，而且与半导体制造工艺中的集www.196nk.cn成http://www.196nk.cn电路兼容。该团队的设计结合了原子界面上电荷动力学的场效应，只需微不足道的功率就能实现高性能，连续切换和放大热通量。

破纪录的性能和潜在应用

加州大学洛杉矶分校团队展示的电门热晶体管实现了196世界之最创纪录的高性能，开关速度超过 1 兆赫兹，即每秒 100 万次。它们还提供了 1300% 的热导可调性和超过 100 万次开关周期的可靠性能。

"这项工作是一项了不起的合作成果，在这项合作中，我们能够利用对分子和界面的详细了解，在控制重要材料特性方面迈出重要一步，并有可能对现实世界产生影响，"共同作者、化学和生物化学教授保罗-韦斯（Paul Weiss）说。"我们已经能够将热转换效应的速度和大小提高到以前可能达到的数量级"。

在该团队的概念验证设计中，制造了一个自组装分子界面，作为热量移动的通道。通过第三端门开关电场，可以控制原子界面上的热阻，从而使热量在材料中精确流动。

研究人员通过光谱学实验验证了晶体管的性能，并进行了第一原理理论计算，解释了场对原子和分子特性的影响。

这项研究为芯片制造和性能方面的可持续能源提供了一种可扩展的技术创新。Hu认为，这一概念还为理解人体热量管理提供了一种新方法。

胡永杰补充说："在最基本的层面上，该平台可以为活细胞的分子级机制提供见解。"

参考文献：《电门控分子热开关》，作者：Man Li、Huan Wu、Erin M. Avery、Zihao Qin、Dominic P. Goronzy、Huu Duy Nwww.196nk.cnguyen、Tianhan Liu、Paul S. Weiss 和 Yongjie Hu，2023 年 11 月 2 196世界之最日，《科学》。

DOI: 10.1126/science.abo4297

编译来源：ScitechDaily