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控制熱量通過電子設(shè)備流動的設(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部件或流體，可能需要很長時間——通常是幾分鐘到幾個小時——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；施加電場使薄膜中的分子鍵更強，從而增加了薄膜的熱導(dǎo)率。“我們的發(fā)現(xiàn)實際上只有一個分子薄，”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。

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

分子運動也不能在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間實現(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，這確實是一個巨大的差異。”

有了這些改進，該設(shè)備對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，因為與其他主動能量耗散途徑相比，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，從而在小芯片的設(shè)計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胞如何調(diào)節(jié)溫度的分子水平機制。Hu認為，在我們的細胞中，熱流和電勢之間可能存在類似的作用。在另一個正在進行的項目中，他正在研究離子通道的機制，離子通道是作為控制離子在細胞膜上流動的閘門的蛋白質(zhì)。Hu表示，當(dāng)談到人體內(nèi)的熱流時，“生理學(xué)上已經(jīng)建立了宏觀的圖景；然而，分子水平的機制在很大程度上仍然未知。”

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

Mu?oz Rojo對熱晶體管增加熱管理技術(shù)庫存的可能性感到興奮，并對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)機械工程助理教授Geoff Wehmeyer表示，這項技術(shù)的演示是一個令人興奮的進步，可能會激勵更多的基礎(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，這項技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段。Hu說，今后他們的目標是進一步提高該設(shè)備的性能。

審核編輯：劉清