Ein neues elektronisches Gerät kann die Wärme präzise und schnell ein- und ausschalten. Ein Team von UCLA-Wissenschaftlern hat zum ersten Mal einen stabilen Festkörper-Thermotransistor vorgestellt, der elektrische Felder nutzt, um die thermische Bewegung von Halbleiterbauelementen zu steuern. Die kürzlich in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Studie des Teams beschreibt detailliert die Funktionsweise des Geräts und seine möglichen Anwendungen.

UCLA-Forscher haben einen neuen Festkörper-Thermotransistor vorgestellt, der elektrische Felder nutzt, um die thermische Bewegung von Halbleitern effektiv zu steuern. Dies markiert einen großen Fortschritt im Wärmemanagement von Computerchips und mögliche Anwendungen beim Verständnis der Wärmeregulierung im menschlichen Körper. Illustration eines an der UCLA entwickelten Festkörper-Thermotransistors, der elektrische Felder nutzt, um die Wärmebewegung zu steuern. Quelle: H-Lab/UCLA

Die Transistoren sind extrem schnell und leistungsstark und könnten durch Design auf atomarer Ebene und Molekulartechnik neue Bereiche des Wärmemanagements für Computerchips eröffnen. Diese Entwicklung könnte auch unser Verständnis darüber erweitern, wie der Körper Wärme reguliert.

Ein Fortschritt in der Wärmemanagementtechnologie

„Die genaue Steuerung des Wärmeflusses durch Materialien ist seit langem ein schwer fassbarer Traum von Physikern und Ingenieuren“, sagte der Co-Autor der Studie, Yongjie Hu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli School of Engineering. „Dieses neue Konstruktionsprinzip ist in dieser Hinsicht ein großer Fortschritt, da es die Wärmebewegung durch Ein- und Ausschalten des elektrischen Feldes steuert, ähnlich wie es Transistoren seit Jahrzehnten tun.“

Elektronische Transistoren sind die Grundbausteine ​​der modernen Informationstechnologie. Sie wurden erstmals in den 1940er Jahren von Bell Labs entwickelt und verfügen über drei Anschlüsse: Gate, Source und Sink. Wenn ein elektrisches Feld durch das Gate fließt, reguliert es die Bewegung des Stroms (in Form von Elektronen) durch den Chip. Diese Halbleiterbauelemente können elektrische Signale und Leistung verstärken oder schalten.

Doch da die Transistoren im Laufe der Jahre kleiner geworden sind und Milliarden davon auf einen einzigen Chip passen, hat die durch die Bewegung der Elektronen erzeugte Wärme zugenommen, was sich auf die Leistung des Chips auswirkt. Herkömmliche Heizkörper leiten die Wärme passiv von heißen Stellen ab, aber die Suche nach einer dynamischeren Steuerungsmethode zur aktiven Regulierung der Wärme bleibt eine Herausforderung.

Überwinden Sie die Grenzen der Vergangenheit

Zwar wurden Anstrengungen unternommen, um die Wärmeleitfähigkeit anzupassen, ihre Leistung wurde jedoch durch die Abhängigkeit von beweglichen Teilen, Ionenbewegung oder der Zusammensetzung der flüssigen Lösung beeinträchtigt. Dies führt zu einer thermischen Bewegung, die sich sehr langsam ein- und ausschaltet, einige Minuten oder weniger dauert, was zu Problemen mit der Leistungszuverlässigkeit und Inkompatibilität mit der Halbleiterfertigung führt.

Der neue Thermotransistor verfügt über Feldeffekteigenschaften (Modulation der Wärmeleitfähigkeit eines Materials durch Anlegen eines externen elektrischen Felds) und Festkörpereigenschaften (keine beweglichen Teile), wodurch er nicht nur leistungsstark, sondern auch mit integrierten Schaltkreisen kompatibel ist, die in Halbleiterherstellungsprozessen verwendet werden. Das Design des Teams berücksichtigt die Feldeffekte der Ladungsdynamik an Atomschnittstellen, um eine hohe Leistung, kontinuierliches Schalten und einen verstärkten Wärmefluss bei vernachlässigbarem Stromverbrauch zu erreichen.

Rekordverdächtige Leistung und Einsatzmöglichkeiten

Das UCLA-Team demonstrierte einen Gate-Thermal-Transistor, der eine Rekordleistung erreichte und sich mit mehr als 1 Megahertz oder 1 Million Mal pro Sekunde ein- und ausschaltete. Sie bieten außerdem eine Einstellbarkeit der Wärmeleitfähigkeit von 1300 % und eine zuverlässige Leistung über 1 Million Schaltzyklen.

„Diese Arbeit ist das Ergebnis einer bemerkenswerten Zusammenarbeit, bei der wir unser detailliertes Verständnis von Molekülen und Grenzflächen nutzen konnten, um einen wichtigen Schritt zur Kontrolle wichtiger Materialeigenschaften zu machen, mit dem Potenzial, Auswirkungen auf die reale Welt zu haben“, sagte Co-Autor Paul Weiss, Professor für Chemie und Biochemie. „Wir konnten die Geschwindigkeit und das Ausmaß der thermischen Umwandlungseffekte auf bisher mögliche Größenordnungen steigern.“

Im Proof-of-Concept-Design des Teams wurde eine selbstorganisierende molekulare Schnittstelle hergestellt, die als Kanal für die Wärmebewegung dient. Durch Ein- und Ausschalten des elektrischen Feldes durch das dritte Endtor kann der Wärmewiderstand an der Atomgrenzfläche gesteuert werden, sodass die Wärme präzise durch das Material fließen kann.

Die Forscher überprüften die Leistung des Transistors durch Spektroskopieexperimente und führten theoretische Berechnungen durch, um die Auswirkungen von Feldern auf atomare und molekulare Eigenschaften zu erklären.

Diese Forschung liefert eine skalierbare technologische Innovation für nachhaltige Energie bei der Chipherstellung und -leistung. Hu glaubt, dass das Konzept auch einen neuen Weg zum Verständnis des Wärmemanagements im menschlichen Körper bietet.

„Auf der grundlegendsten Ebene kann diese Plattform Einblicke in die Mechanismen lebender Zellen auf molekularer Ebene liefern“, fügte Hu hinzu.

Referenz: „Electrically Gated Molecular Thermal Switch“, Autor: ManLi, HuanWu, ErinM.Avery, ZihaoQin, DominicP.Goronzy, HuuDuyNguyen, TianhanLiu, PaulS.Weiss und YongjieHu, 2. November 2023, „Science“.

DOI:10.1126/science.abo4297

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily