研究背景
电子晶体管是现代信息技术的基本组成部分。它们最初由贝尔实验室在20世纪40 年代开发并获1956年诺贝尔奖。电子晶体管具有三个端子 - 门、源和汇。当通过栅极施加电场时，它会调节电流（以电子形式）通过芯片的运动。这些半导体器件可以放大或切换电信号和功率。但随着过去几年晶体管尺寸的缩小，单个芯片上可以安装数十亿个晶体管，电子运动会产生更多热量，从而影响芯片的性能。传统散热器被动地去除热点的热量，但找到一种更动态控制的方式来主动调节热量一直是一个挑战。尽管可调热导率装置一直处于研究和开发的前沿，但当前所有装置对移动部件、离子运动或液体溶液成分的依赖显著降低了其性能。这导致热运动切换速度太慢，大约几分钟或更慢，从而导致低性能和可靠性问题。
成果简介
鉴于此，美国加州大学洛杉矶分校的胡永杰教授（通讯作者）展示了一种独特、稳定的全固态热晶体管，它利用电场来控制半导体器件中的热流。这种新型电子器件应用范围广泛，能够以最高速度准确地开启和关闭热量，从而大大提高芯片的热管理和工作性能。相关研究成果 “Electrically gated molecular thermal switch” 为题刚刚发表在Science上。
加州大学洛杉矶分校开发的固态热晶体管：该晶体管使用电场来控制散热处理。
核心内容
《科学》杂志今日发表了该小组的研究，详细介绍了该设备的工作原理及其潜在应用。凭借一流的速度和性能，该晶体管可以通过原子级设计和分子工程在计算机芯片的热管理方面开辟新天地。这一进展还可能导致人们进一步了解人体如何调节热量。这种全新热晶体管拥有场效应（通过施加外部电场来调制材料的热导率）和全固态（无移动部件），提供了高性能并与半导体制造工艺中使用的集成电路兼容。它们的设计结合了原子界面上的场效应对电荷动力学的影响，以允许使用微不足道的功率持续切换和放大热流，从而达到前所未有的性能。加州大学洛杉矶分校团队展示了电子控制热晶体管，其开关速度超过1兆赫兹或每秒100万个周期，实现了创纪录的高性能。它们还提供1300% 的热导率调节，并在超100万次开关周期内保持可靠的性能。根据这项研究，这代表了固态热器件达到的最高值几个数量级，远远超过了之前报道的最佳结果。研究负责人、加州大学洛杉矶分校工程学院机械与航空航天工程教授胡永杰表示：“如何精确控制电子材料中的热量流动一直是物理学家和工程师长期以来的一个难以实现的梦想。新的设计原理通过电场的开关控制来管理热量的运动，朝着这一目标迈出了重要一步，就像电子晶体管几十年来所做的那样”。“这项工作是出色的跨学科研究”，合作作者，化学和生物化学教授Paul Weiss说， “我们利用对分子和界面的理解，在控制重要材料特性方面取得了重大进展，这有可能对现实世界产生影响”。在他们的概念验证设计中，制造了一个自组装的分子界面，作为热量移动的通道。通过第三端门开关电场，控制原子界面间的热阻，从而使热量通过材料精确移动。研究人员通过光谱实验验证了晶体管的性能，并进行了基于第一原理的理论计算，考虑了场效应对原子和分子特性的影响。该研究呈现了一项可扩展的技术创新，用于芯片制造, 工业热管理，和可持续新能源。论文的其他作者——都来自加州大学洛杉矶分校——包括李满、吴欢、艾琳·埃弗里、秦子豪、多米尼克·戈龙齐、阮胡意和刘天汉。UCLA 胡永杰团队发表在Nature和Science上的系列工作影响深远，包括第一次发现了超高导热材料砷化硼。
(1) Man Li et al. “Electrically gated molecular thermal switch,” Science 382, 585-589 (2023).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4297
(2) Suixuan Li et al. “Anomalous thermal transport under high pressure in boron arsenide,” Nature 612, 459-464 (2022).
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05381-x
(3) Joon Kang et al., “Experimental observation of high thermal conductivity in boron arsenide,” Science 575-578 (2018).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aat5522
