电子晶体管是现代电子产品的核心。这些设备精确控制电流，但在此过程中它们会产生热量。现在，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发出了一种固态热晶体管，这是同类中第一个可以使用电场来控制电子设备中热量流动的设备。他们的研究最近发表在《科学》杂志上，展示了新技术的功能。
“工程师和科学家强烈希望像控制电子设备一样控制传热，但这非常具有挑战性，”该研究的主要作者、加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程教授胡永杰说。
从历史上看，电子产品都是通过散热器来冷却的，散热器可以被动地带走多余的热量。还提出了更主动的热管理方法，但这些方法通常依赖于移动部件或流体，并且可能需要很长时间（通常是几分钟到几小时）来提高或降低材料的导热率。借助热晶体管，研究人员可以更快、更精确地主动调节热流。这种速度使它们成为管理电子设备热量的有前途的选择。
加州大学洛杉矶分校开发的热晶体管使用电场来控制热流，如图所示
“我认为我们正生活在一种热力复兴之中。”—MIGUEL MUOZ ROJO，马德里材料科学研究所
与电子晶体管类似，加州大学洛杉矶分校小组的热晶体管也使用电场来调制通道的电导，在这种情况下是热导而不是电导。这是通过研究人员设计的笼状分子薄膜来完成的，该薄膜充当晶体管的通道;施加电场使薄膜中的分子键更强，从而增加其热导率。“我们的贡献实际上只是一个分子薄，”加州大学洛杉矶分校化学、生物工程和材料科学教授、该研究的合著者保罗韦斯说。
借助该单分子层，研究人员能够在超过 1 兆赫兹的频率下达到电导率的最大变化，比其他热管理系统快几个数量级。分子运动通常控制其他类型热开关中的热流。但韦斯解释说，与电子的运动相比，分子运动相当慢。通过利用电场，研究人员能够加速频率从毫赫兹到兆赫兹的转换。
分子运动也无法在开启状态和关闭状态之间实现如此大的热导差异。相比之下，加州大学洛杉矶分校的设备实现了 13 倍的差异。“无论是幅度还是速度，这确实是一个巨大的差异，”韦斯说。
通过这些改进，该设备对于冷却处理器可能很重要。晶体管对于半导体来说特别有前途，因为与其他有源能量耗散途径相比，它们使用少量的功率来控制热流。胡说，许多热晶体管也可以像电子晶体管一样集成在同一芯片上。
特别是，热晶体管可以有效地管理新半导体设计中的热量，例如在3D 堆叠小芯片中，它们可以减少热点，从而为小芯片的设计提供更大的自由度。胡说，它们还可能有助于冷却由氮化镓和碳化硅等宽带隙半导体制成的电力电子设备。
“我们的贡献实际上只有一个分子那么薄。”——保罗·韦斯，加州大学洛杉矶分校
除了这些电子学应用之外，加州大学洛杉矶分校研究人员在热晶体管方面的工作还可以为活细胞调节温度的分子水平机制提供见解。胡认为，在我们的细胞中，热流和电势之间可能存在类似的效应。在另一个正在进行的项目中，他正在研究离子通道的机制——充当控制离子穿过细胞膜流动的门的蛋白质。当谈到人体的热流时，“宏观的图景在生理学中已经建立;然而，分子水平的机制仍然很大程度上未知，”胡说。
“我认为我们正生活在一种热力复兴之中，”马德里材料科学研究所的高级研究员米格尔·穆尼奥斯·罗霍 (Miguel Muoz Rojo)说道。Muoz Rojo 对热晶体管增加热管理技术储备的可能性感到兴奋，并且对将它们用于各种大规模应用的可能性感兴趣，例如制冷以及纳米级冷却。电子产品。他和他的同事、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学热工程教授安德烈·基塔诺夫斯基 ( Andrej Kitanovski ) 正在共同开发这些热管理技术。对于 Muoz Rojo 来说，这种广泛的潜在用途使热晶体管成为热管理技术的顶峰。
休斯顿莱斯大学机械工程系助理教授Geoff Wehmeyer表示，这项技术的展示是一项令人兴奋的进步，可能会激发更多的基础研究。“热工程师能否找到将这些分子热开关集成到电子设备或电池的可切换热管理系统中的方法，将会很有趣。”
虽然这一概念证明很有希望，但加州大学洛杉矶分校的研究人员承认，该技术仍处于开发初期。胡说，展望未来，他们的目标是进一步提高设备的性能。
