محققان ترانزیستور حرارتی حالت جامد را برای مدیریت بهتر گرما توسعه دادند

مطالعه این گروه، که در شماره 3 نوامبر نشریه منتشر خواهد شد علوم پایه، نحوه عملکرد دستگاه و کاربردهای بالقوه آن را شرح می دهد. با حداکثر سرعت و عملکرد، ترانزیستور می تواند مرزهای جدیدی را در مدیریت حرارتی تراشه های کامپیوتری از طریق طراحی سطح اتمی و مهندسی مولکولی باز کند. این پیشرفت همچنین ممکن است به درک چگونگی تنظیم گرما در بدن انسان کمک کند.

Yongjie Hu، یکی از نویسندگان این مطالعه، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشکده مهندسی Samueli دانشگاه UCLA، گفت: “کنترل دقیق بر چگونگی جریان گرما از طریق مواد یک رویای دیرینه اما دست نیافتنی برای فیزیکدانان و مهندسان بوده است.” این اصل طراحی جدید جهشی بزرگ به سمت آن ایجاد می کند، زیرا حرکت گرما را با روشن و خاموش کردن یک میدان الکتریکی مدیریت می کند، درست همانطور که ترانزیستورهای الکتریکی برای چندین دهه انجام می دادند.

ترانزیستورهای الکتریکی بلوک های ساختمانی اساسی فناوری اطلاعات مدرن هستند. آنها برای اولین بار توسط آزمایشگاه بل در دهه 1940 توسعه یافتند و دارای سه پایانه – دروازه، منبع و سینک هستند. هنگامی که یک میدان الکتریکی در سراسر دروازه اعمال می شود، نحوه حرکت الکتریسیته (به شکل الکترون) از طریق تراشه را تنظیم می کند. این دستگاه های نیمه هادی می توانند سیگنال ها و توان الکتریکی را تقویت یا سوئیچ کنند. اما از آنجایی که در طول سال‌ها به کوچک شدن آنها ادامه می‌دهد، میلیاردها ترانزیستور می‌توانند روی یک تراشه قرار بگیرند که منجر به گرمای بیشتر تولید شده توسط حرکت الکترون‌ها می‌شود که بر عملکرد تراشه تأثیر می‌گذارد. رادیاتورهای معمولی به طور غیر فعال گرما را از نقاط داغ حذف می کنند، اما کنترل پویاتر برای تنظیم فعال گرما همچنان یک چالش است.

اگرچه تلاش هایی برای تنظیم رسانایی حرارتی صورت گرفته است، اما عملکرد آنها به دلیل وابستگی به قطعات متحرک، حرکات یونی یا اجزای محلول مایع آسیب دیده است. این منجر به کندی سرعت سوئیچینگ برای حرکت حرارتی در حد چند دقیقه یا بسیار آهسته‌تر شد که باعث ایجاد مشکلات قابلیت اطمینان عملکرد و همچنین ناسازگاری با تولید نیمه‌رسانا شد.

ترانزیستور حرارتی جدید که دارای اثر میدانی (مدولاسیون هدایت حرارتی یک ماده با اعمال میدان الکتریکی خارجی) و حالت جامد کامل (بدون قطعات متحرک) است، عملکرد و سازگاری بالایی با مدارهای مجتمع در فرآیندهای تولید نیمه هادی ارائه می دهد. طراحی این تیم دارای اثر میدانی بر دینامیک شارژ در یک رابط اتمی است تا عملکرد بالا را با استفاده از توان ناچیز برای سوئیچینگ پیوسته و تقویت جریان گرما ایجاد کند.

تیم UCLA ترانزیستورهای حرارتی دارای دروازه الکتریکی را نشان دادند که با سرعت سوئیچینگ بیش از 1 مگاهرتز یا 1 میلیون سیکل در ثانیه عملکرد بالایی را به دست آوردند. آنها همچنین 1300٪ قابلیت تنظیم هدایت حرارتی و عملکرد قابل اعتماد را برای بیش از 1 میلیون سیکل سوئیچینگ ارائه می دهند.

Paul یکی از نویسندگان این مقاله گفت: “این کار نتیجه یک همکاری عالی است که در آن ما می توانیم از درک دقیق خود از مولکول ها و رابط ها برای برداشتن گام بزرگی رو به جلو در کنترل خواص مهم مواد با پتانسیل تاثیرگذاری در دنیای واقعی استفاده کنیم.” ویس، استاد شیمی و بیوشیمی. ما توانستیم هم سرعت و هم اندازه اثر سوئیچینگ حرارتی را با سفارشات بزرگی نسبت به آنچه قبلاً ممکن بود، بهبود بخشیم.»

در پروژه اثبات مفهوم این تیم، یک رابط مولکولی خودآرایی ساخته شد که به عنوان رسانایی برای حرکت گرما عمل می کند. روشن و خاموش کردن میدان الکتریکی از طریق ترمینال سوم، مقاومت حرارتی را در سرتاسر رابط‌های اتمی کنترل می‌کند و بنابراین اجازه می‌دهد تا گرما با دقت در مواد حرکت کند. محققان کارایی ترانزیستور را با آزمایش‌های طیف‌سنجی تأیید کردند و محاسبات تئوری اصول اول را انجام دادند که اثرات میدانی را بر ویژگی‌های اتم‌ها و مولکول‌ها نشان می‌دهد.

این مطالعه یک نوآوری فن‌آوری مقیاس‌پذیر برای انرژی پایدار در تولید و بهره‌وری تراشه ارائه می‌کند. هو پیشنهاد کرد که این مفهوم همچنین راه جدیدی برای درک مدیریت گرما در بدن انسان ارائه می دهد.

هو افزود: «در یک سطح بسیار اساسی، این پلتفرم می‌تواند بینشی در مورد مکانیسم‌های سطح مولکولی برای سلول‌های زنده ارائه دهد.

سایر نویسندگان این مقاله – همگی از UCLA – عبارتند از من لی، هوانگ وو، ارین اوری، زیهائو کین، دومینیک گورونزی، هو دوی نگوین و تیانهان لیو. هو و وایس همچنین به مؤسسه نانوسیستم‌های کالیفرنیا و همچنین دپارتمان‌های مهندسی زیستی و علوم و مهندسی مواد UCLA Samueli وابسته هستند.

این تحقیق با کمک های مالی از مؤسسه ملی بهداشت، بنیاد آلفرد پی اسلون و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد. پشتیبانی فنی توسط UCLA Nanolab و موسسه NanoSystems California در UCLA ارائه شد. منابع محاسباتی توسط مؤسسه تحقیقات و آموزش دیجیتال UCLA و اکوسیستم هماهنگی زیرساخت سایبری پیشرفته: خدمات و پشتیبانی ارائه شده است.