Lämmönsiirron hallintaa transistorilla

UCLA:n tutkijaryhmä on julkistanut laatuaan ensimmäisen vakaan ja täysin solid-state -lämpötransistorin, joka ohjaa puolijohdelaitteen lämpöliikettä sähkökentän avulla.

Ryhmän tutkimustyö kertoo laitteen toiminnasta ja sen mahdollisista sovelluksista. Huippunopeudellaan ja suorituskyvyllään transistori voisi avata uusia rajoja tietokonesirujen lämmönhallinnassa atomitason suunnittelun ja molekyylitekniikan avulla. Edistyminen voisi myös edistää ymmärrystä siitä, kuinka lämpö säätelee ihmiskehossa.

"Tarkka lämmön virtauksen materiaalien läpi on ollut fyysikkojen ja insinöörien pitkäaikainen, mutta vaikeasti toteutettava unelma", sanoi professori Yongjie Hu UCLA Samueli School of Engineeringistä.

"Tämä uusi suunnitteluperiaate ottaa suuren harppauksen unelmaa kohti, koska se hallitsee lämmön liikettä sähkökentän päälle-pois -kytkemällä, aivan transistoreilla."

Perinteiset jäähdytyselementit vetävät passiivisesti lämpöä pois kuumista pisteistä, mutta haasteena on ollut löytää dynaamisempi säädin lämmön aktiiviseen säätelyyn.

Uusi lämpötransistori, joka pystyy tarjoamaan kenttävaikutelman (materiaalin lämmönjohtavuuden modulaatio ulkoisen sähkökentän avulla) ja täysin kiinteän tilan tarjoaa korkean suorituskyvyn ja yhteensopivuuden puolijohteiden integroitujen piirien valmistusprosessi kanssa.

Ryhmän suunnitelmassa on kenttävaikutus atomirajapinnan varausdynamiikassa, mikä mahdollistaa korkean suorituskyvyn mitättömän käyttötehon avulla vaihtaa ja vahvistaa lämpövirtaa jatkuvasti.

Uudenlaiset lämpötransistorit saavuttivat ennätyskorkean suorituskyvyn yli 1 megahertsin kytkentänopeudella. Ne tarjoavat myös 1300 % viritettävyyden lämmönjohtavuudessa ja luotettavan suorituskyvyn yli miljoonan kytkentäjakson ajan.

Tiimin proof-of-concept -suunnitelmassa valmistetaan itsekoostuva molekyylirajapinta, joka toimii lämpöliikkeen kanavana. Sähkökentän kytkeminen päälle ja pois kolmannen terminaalin portin kautta säätelee lämpövastusta atomirajapintojen yli ja mahdollistaa siten lämmön siirtymisen materiaalin läpi tarkasti.

Tutkimus esittelee skaalautuvan teknologian innovaation kestävän energian sirujen valmistuksessa ja suorituskyvyssä. Hu ehdotti, että konsepti tarjoaa myös uuden tavan ymmärtää ihmiskehon lämmönhallintaa.

"Hyvin perustasolla alusta voisi tarjota oivalluksia elävien solujen molekyylitason mekanismeista", Hu lisäsi.

Aiheesta aiemmin:

Elektroniaaltojen kuljettama lämpö

Lämmönhallintaa nanoelektroniikalle

Pinta-aallot nanorakenteita viilentämään