發完Nature 再發Science: UCLA 胡永杰教授開發出全新固態熱晶體管

第一作者： Man Li, Huan Wu

通訊作者： 胡永杰

通訊單位： 加州大學洛杉磯分校

電子晶體管是現代信息技術的基本組成部分。它們最初由貝爾實驗室在 20 世紀 40 年代開發并獲1956年諾貝爾獎。電子晶體管具有三個端子 - 門、源和匯。 當通過柵極施加電場時，它會調節電流（以電子形式）通過芯片的運動。 這些半導體器件可以放大或切換電信號和功率。 但隨著過去幾年晶體管尺寸的縮小，單個芯片上可以安裝數十億個晶體管，電子運動會產生更多熱量，從而影響芯片的性能。傳統散熱器被動地去除熱點的熱量，但找到一種更動態控制的方式來主動調節熱量一直是一個挑戰。

盡管可調熱導率裝置一直處于研究和開發的前沿，但當前所有裝置對移動部件、離子運動或液體溶液成分的依賴顯著降低了其性能。 這導致熱運動切換速度太慢，大約幾分鐘或更慢，從而導致低性能和可靠性問題。

【成果簡介】

鑒于此，美國加州大學洛杉磯分校的胡永杰教授（通訊作者）展示了一種獨特、穩定的全固態熱晶體管，它利用電場來控制半導體器件中的熱流。 這種新型電子器件應用范圍廣泛，能夠以最高速度準確地開啟和關閉熱量，從而大大提高芯片的熱管理和工作性能。相關研究成果 “Electrically gated molecular thermal switch” 為題剛剛發表在Science上。

加州大學洛杉磯分校開發的固態熱晶體管：該晶體管使用電場來控制散熱處理。

【核心內容】

《科學》雜志今日發表了該小組的研究，詳細介紹了該設備的工作原理及其潛在應用。憑借一流的速度和性能，該晶體管可以通過原子級設計和分子工程在計算機芯片的熱管理方面開辟新天地。 這一進展還可能導致人們進一步了解人體如何調節熱量。

這種全新熱晶體管擁有場效應（通過施加外部電場來調制材料的熱導率）和全固態（無移動部件），提供了高性能并與半導體制造工藝中使用的集成電路兼容。它們的設計結合了原子界面上的場效應對電荷動力學的影響，以允許使用微不足道的功率持續切換和放大熱流，從而達到前所未有的性能。

加州大學洛杉磯分校團隊展示了電子控制熱晶體管，其開關速度超過 1 兆赫茲或每秒 100 萬個周期，實現了創紀錄的高性能。 它們還提供 1300% 的熱導率調節，并在超 100 萬次開關周期內保持可靠的性能。 根據這項研究，這代表了固態熱器件達到的最高值幾個數量級，遠遠超過了之前報道的最佳結果。

研究負責人、加州大學洛杉磯分校工程學院機械與航空航天工程教授胡永杰表示：“如何精確控制電子材料中的熱量流動一直是物理學家和工程師長期以來的一個卻難以實現的夢想。” 新的設計原理通過電場的開關控制來管理熱量的運動，朝著這一目標邁出了重要一步，就像電子晶體管幾十年來所做的那樣。”

“這項工作是出色的跨學科研究，”合作作者，化學和生物化學教授Paul Weiss說， “我們利用對分子和界面的理解，在控制重要材料特性方面取得了重大進展，這有可能對現實世界產生影響。”

在他們的概念驗證設計中，制造了一個自組裝的分子界面，作為熱量移動的通道。通過第三端門開關電場，控制原子界面間的熱阻，從而使熱量通過材料精確移動。研究人員通過光譜實驗驗證了晶體管的性能，并進行了基于第一原理的理論計算，考慮了場效應對原子和分子特性的影響。

該研究呈現了一項可擴展的技術創新，用于芯片制造,?工業熱管理，和可持續新能源。論文的其他作者——都來自加州大學洛杉磯分校——包括李滿、吳歡、艾琳·埃弗里、秦子豪、多米尼克·戈龍齊、阮胡意和劉天漢。

【相關工作】

UCLA 胡永杰團隊發表在Nature和Science上的系列工作影響深遠，包括第一次發現了超高導熱材料砷化硼。

【研究論文】

（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