08 نوفمبر 2023 (أخبار Nanowerkكشف باحثون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس عن ترانزستور حراري هو الأول من نوعه المستقر والصلب تمامًا والذي يستخدم مجالًا كهربائيًا للتحكم ديناميكيًا في تبديد الحرارة، لإحداث ثورة في إلكترونيات أشباه الموصلات المستقبلية، وتغليف IC ثلاثي الأبعاد، وتصميم الشرائح الصغيرة.
علوم نشرت المجلة دراسة المجموعة ("المفتاح الحراري الجزيئي المسور كهربائياً")، بالتفصيل كيفية عمل الجهاز وتطبيقاته المحتملة. بفضل السرعة القصوى والأداء، يمكن للترانزستور أن يفتح آفاقًا جديدة في إدارة الحرارة لرقائق الكمبيوتر من خلال تصميم المستوى الذري والهندسة الجزيئية. قد يؤدي الاختراع الجديد إلى تحويل إطار التكنولوجيا المستقبلي للإدارة الحرارية لإلكترونيات الطاقة والرقائق ثلاثية الأبعاد. قال قائد الدراسة يونغجي هو Yongjie Hu، أستاذ الهندسة الميكانيكية وهندسة الفضاء الجوي في كلية سامويلي للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: "لقد كان التحكم الدقيق في كيفية تدفق الحرارة عبر المواد حلمًا طويل الأمد ولكنه بعيد المنال بالنسبة للفيزيائيين والمهندسين". "إن مبدأ التصميم الجديد هذا يأخذ قفزة كبيرة نحو ذلك، لأنه يدير حركة الحرارة من خلال التبديل بين التشغيل والإيقاف للمجال الكهربائي، تمامًا كما حدث مع الترانزستورات الكهربائية لعقود من الزمن." الكهرباء الترانزستورات هي اللبنات الأساسية لتكنولوجيا المعلومات الحديثة. تم تطويرها لأول مرة من قبل شركة Bell Labs في الأربعينيات من القرن الماضي، ولها ثلاث محطات - بوابة، ومصدر، ومغسلة. عندما يتم تطبيق مجال كهربائي عبر البوابة، فإنه ينظم كيفية تحرك الكهرباء (على شكل إلكترونات) عبر الشريحة. يمكن لهذه الأجهزة شبه الموصلة تضخيم أو تبديل الإشارات الكهربائية والطاقة. ولكن مع استمرار تقلص حجمها على مر السنين، يمكن وضع مليارات الترانزستورات على شريحة واحدة، مما يؤدي إلى توليد المزيد من الحرارة من حركة الإلكترونات، مما يؤثر على أداء الشريحة. تتفاقم مشكلة التسخين في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة والدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد، مما يشكل تحديًا كبيرًا. تعمل المبددات الحرارية التقليدية على سحب الحرارة بشكل سلبي بعيدًا عن النقاط الساخنة؛ ومع ذلك، فإن العثور على طريقة تحكم ديناميكية لتنظيم الحرارة بشكل فعال يظل تحديًا.
رسم توضيحي للترانزستور الحراري ذو الحالة الصلبة الذي طورته جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس باستخدام مجال كهربائي للتحكم في حركة الحرارة. (الصورة: H-Lab) على الرغم من الجهود المبذولة لضبط التوصيل الحراري، فقد تأثر أدائها بسبب الاعتماد على الأجزاء المتحركة، أو الحركات الأيونية، أو مكونات المحلول السائل. وقد أدى ذلك إلى بطء سرعات التبديل لحركة الحرارة في حدود دقائق أو أبطأ بكثير، مما أدى إلى حدوث مشكلات في موثوقية الأداء بالإضافة إلى عدم التوافق مع تصنيع أشباه الموصلات. يوفر الترانزستور الحراري الجديد، الذي يتميز بتأثير المجال (تعديل التوصيل الحراري للمادة عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي) والحالة الصلبة الكاملة (بدون أجزاء متحركة)، أداءً عاليًا وتوافقًا مع الدوائر المتكاملة في أشباه الموصلات عمليات التصنيع. يتضمن تصميمها التأثير الميداني على ديناميكيات الشحن في الواجهة الذرية للسماح بأداء غير مسبوق باستخدام طاقة ضئيلة للتبديل المستمر وتضخيم التدفق الحراري. أظهر فريق جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ترانزستورات حرارية ذات بوابات كهربائية حققت أداءً قياسيًا مع سرعة تحويل تزيد عن 1 ميجا هرتز، أو مليون دورة في الثانية. كما أنها توفر إمكانية ضبط بنسبة 1% في التوصيل الحراري وأداء موثوق لأكثر من مليون دورة تحويل. يمثل هذا الأداء أعلى القيم للأجهزة الحرارية ذات الحالة الصلبة بعدة أوامر من حيث الحجم مقارنة بأفضل النتائج التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا. وقال المشارك في الدراسة: "هذا العمل هو نتيجة تعاون رائع تمكنا من خلاله من الاستفادة من فهمنا التفصيلي للجزيئات والواجهات لاتخاذ خطوة كبيرة إلى الأمام في التحكم في خصائص المواد المهمة مع إمكانية التأثير في العالم الحقيقي". المؤلف بول فايس، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية. في تصميمهم الذي يثبت صحة المفهوم، يتم تصنيع واجهة جزيئية ذاتية التجميع وتعمل كقناة لحركة الحرارة. إن تشغيل وإيقاف المجال الكهربائي من خلال بوابة الطرف الثالث يتحكم في المقاومة الحرارية عبر السطوح البينية الذرية، وبالتالي تتحرك الحرارة عبر المادة بدقة. وقد تحقق الباحثون من صحة أداء الترانزستور من خلال تجارب التحليل الطيفي وأجروا حسابات نظرية المبادئ الأولى التي أخذت في الاعتبار التأثيرات الميدانية على خصائص الذرات والجزيئات.
رسم توضيحي للترانزستور الحراري ذو الحالة الصلبة الذي طورته جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس باستخدام مجال كهربائي للتحكم في حركة الحرارة. (الصورة: H-Lab) على الرغم من الجهود المبذولة لضبط التوصيل الحراري، فقد تأثر أدائها بسبب الاعتماد على الأجزاء المتحركة، أو الحركات الأيونية، أو مكونات المحلول السائل. وقد أدى ذلك إلى بطء سرعات التبديل لحركة الحرارة في حدود دقائق أو أبطأ بكثير، مما أدى إلى حدوث مشكلات في موثوقية الأداء بالإضافة إلى عدم التوافق مع تصنيع أشباه الموصلات. يوفر الترانزستور الحراري الجديد، الذي يتميز بتأثير المجال (تعديل التوصيل الحراري للمادة عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي) والحالة الصلبة الكاملة (بدون أجزاء متحركة)، أداءً عاليًا وتوافقًا مع الدوائر المتكاملة في أشباه الموصلات عمليات التصنيع. يتضمن تصميمها التأثير الميداني على ديناميكيات الشحن في الواجهة الذرية للسماح بأداء غير مسبوق باستخدام طاقة ضئيلة للتبديل المستمر وتضخيم التدفق الحراري. أظهر فريق جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ترانزستورات حرارية ذات بوابات كهربائية حققت أداءً قياسيًا مع سرعة تحويل تزيد عن 1 ميجا هرتز، أو مليون دورة في الثانية. كما أنها توفر إمكانية ضبط بنسبة 1% في التوصيل الحراري وأداء موثوق لأكثر من مليون دورة تحويل. يمثل هذا الأداء أعلى القيم للأجهزة الحرارية ذات الحالة الصلبة بعدة أوامر من حيث الحجم مقارنة بأفضل النتائج التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا. وقال المشارك في الدراسة: "هذا العمل هو نتيجة تعاون رائع تمكنا من خلاله من الاستفادة من فهمنا التفصيلي للجزيئات والواجهات لاتخاذ خطوة كبيرة إلى الأمام في التحكم في خصائص المواد المهمة مع إمكانية التأثير في العالم الحقيقي". المؤلف بول فايس، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية. في تصميمهم الذي يثبت صحة المفهوم، يتم تصنيع واجهة جزيئية ذاتية التجميع وتعمل كقناة لحركة الحرارة. إن تشغيل وإيقاف المجال الكهربائي من خلال بوابة الطرف الثالث يتحكم في المقاومة الحرارية عبر السطوح البينية الذرية، وبالتالي تتحرك الحرارة عبر المادة بدقة. وقد تحقق الباحثون من صحة أداء الترانزستور من خلال تجارب التحليل الطيفي وأجروا حسابات نظرية المبادئ الأولى التي أخذت في الاعتبار التأثيرات الميدانية على خصائص الذرات والجزيئات.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=64019.php
