08 Νοεμβρίου 2023 (Ειδήσεις NanowerkΕρευνητές από το UCLA αποκάλυψαν ένα πρώτο στο είδος του σταθερό θερμικό τρανζίστορ πλήρως στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό πεδίο για να ελέγχει δυναμικά τη διάχυση θερμότητας, να φέρει επανάσταση στα μελλοντικά ηλεκτρονικά ημιαγωγών, τη συσκευασία 3D IC και το σχεδιασμό chiplet.
Επιστήμη περιοδικό δημοσίευσε τη μελέτη της ομάδας ("Ηλεκτρικά κλειστός μοριακός θερμικός διακόπτης"), περιγράφοντας λεπτομερώς τον τρόπο λειτουργίας της συσκευής και τις πιθανές εφαρμογές της. Με κορυφαία ταχύτητα και απόδοση, το τρανζίστορ θα μπορούσε να ανοίξει νέα σύνορα στη διαχείριση θερμότητας των τσιπ υπολογιστών μέσω ενός ατομικού επιπέδου σχεδίασης και μοριακής μηχανικής. Η νέα εφεύρεση μπορεί να μεταμορφώσει το μελλοντικό τεχνολογικό πλαίσιο για τη θερμική διαχείριση ηλεκτρονικών ισχύος και τσιπ 3D. «Ο ακριβής έλεγχος του τρόπου με τον οποίο ρέει η θερμότητα μέσω των υλικών ήταν ένα μακροχρόνιο αλλά άπιαστο όνειρο για φυσικούς και μηχανικούς», δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Yongjie Hu, καθηγητής μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο UCLA Samueli School of Engineering. «Αυτή η νέα σχεδιαστική αρχή κάνει ένα μεγάλο άλμα προς αυτό, καθώς διαχειρίζεται την κίνηση της θερμότητας με την ενεργοποίηση-απενεργοποίηση ενός ηλεκτρικού πεδίου, όπως ακριβώς γινόταν με τα ηλεκτρικά τρανζίστορ για δεκαετίες». Ηλεκτρικός τρανζίστορ αποτελούν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της σύγχρονης πληροφορικής. Αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά από την Bell Labs τη δεκαετία του 1940 και έχουν τρία τερματικά - μια πύλη, μια πηγή και ένα νεροχύτη. Όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται μέσα από την πύλη, ρυθμίζει τον τρόπο με τον οποίο ο ηλεκτρισμός (με τη μορφή ηλεκτρονίων) κινείται μέσα από το τσιπ. Αυτές οι συσκευές ημιαγωγών μπορούν να ενισχύουν ή να αλλάζουν ηλεκτρικά σήματα και ισχύ. Αλλά καθώς συνεχίζουν να συρρικνώνονται σε μέγεθος με τα χρόνια, δισεκατομμύρια τρανζίστορ μπορούν να χωρέσουν σε ένα τσιπ, με αποτέλεσμα περισσότερη θερμότητα που παράγεται από την κίνηση των ηλεκτρονίων, η οποία επηρεάζει την απόδοση του τσιπ. Το ζήτημα της θέρμανσης επιδεινώνεται σε ημιαγωγούς ευρείας ζώνης και τρισδιάστατα ολοκληρωμένα κυκλώματα, καθιστώντας μια σημαντική πρόκληση συμφόρησης. Οι συμβατικές ψύκτρες αντλούν παθητικά τη θερμότητα από τα hotspots. Ωστόσο, η εύρεση μιας μεθόδου δυναμικού ελέγχου για την ενεργή ρύθμιση της θερμότητας παραμένει μια πρόκληση.
Απεικόνιση ενός θερμικού τρανζίστορ στερεάς κατάστασης που αναπτύχθηκε από το UCLA που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό πεδίο για τον έλεγχο της κίνησης της θερμότητας. (Εικόνα: H-Lab) Ενώ έχουν γίνει προσπάθειες για τον συντονισμό της θερμικής αγωγιμότητας, οι επιδόσεις τους έχουν υποφέρει λόγω της εξάρτησης από κινούμενα μέρη, ιοντικές κινήσεις ή συστατικά υγρού διαλύματος. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα αργές ταχύτητες μεταγωγής για την κίνηση της θερμότητας της τάξης των λεπτών ή πολύ πιο αργές, δημιουργώντας προβλήματα στην αξιοπιστία της απόδοσης καθώς και ασυμβατότητα με την κατασκευή ημιαγωγών. Το νέο θερμικό τρανζίστορ, το οποίο διαθέτει φαινόμενο πεδίου (διαμόρφωση της θερμικής αγωγιμότητας ενός υλικού με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου) και πλήρη στερεά κατάσταση (χωρίς κινούμενα μέρη), προσφέρει υψηλή απόδοση και συμβατότητα με ολοκληρωμένα κυκλώματα σε ημιαγωγούς διαδικασίες παραγωγής. Ο σχεδιασμός τους ενσωματώνει το φαινόμενο πεδίου στη δυναμική φόρτισης σε μια ατομική διεπαφή για να επιτρέπει άνευ προηγουμένου απόδοση χρησιμοποιώντας αμελητέα ισχύ για συνεχή εναλλαγή και ενίσχυση μιας ροής θερμότητας. Η ομάδα του UCLA έδειξε θερμικά τρανζίστορ με ηλεκτρική πύλη που πέτυχαν υψηλή απόδοση ρεκόρ με ταχύτητα μεταγωγής μεγαλύτερη από 1 megahertz ή 1 εκατομμύριο κύκλους ανά δευτερόλεπτο. Προσέφεραν επίσης 1,300% συντονισμό στη θερμική αγωγιμότητα και αξιόπιστη απόδοση για περισσότερους από 1 εκατομμύριο κύκλους μεταγωγής. Αυτή η απόδοση αντιπροσωπεύει τις υψηλότερες τιμές για θερμικές συσκευές στερεάς κατάστασης σε πολλές τάξεις μεγέθους σε σχέση με τα βέλτιστα αποτελέσματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως. "Αυτή η εργασία είναι το αποτέλεσμα μιας καταπληκτικής συνεργασίας στην οποία είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε τη λεπτομερή κατανόησή μας για τα μόρια και τις διεπαφές για να κάνουμε ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στον έλεγχο σημαντικών ιδιοτήτων υλικών με δυνατότητα για επιπτώσεις στον πραγματικό κόσμο", δήλωσε ο συν- συγγραφέας Paul Weiss, καθηγητής χημείας και βιοχημείας. Στο proof-of-concept σχεδιασμό τους, κατασκευάζεται μια αυτοσυναρμολογημένη μοριακή διεπαφή και λειτουργεί ως αγωγός για την κίνηση της θερμότητας. Η ενεργοποίηση και απενεργοποίηση ενός ηλεκτρικού πεδίου μέσω μιας τρίτης τερματικής πύλης ελέγχει τη θερμική αντίσταση στις ατομικές διεπαφές και έτσι η θερμότητα κινείται μέσω του υλικού με ακρίβεια. Οι ερευνητές επικύρωσαν την απόδοση του τρανζίστορ με πειράματα φασματοσκοπίας και διεξήγαγαν υπολογισμούς θεωρίας πρώτων αρχών που αντιπροσώπευαν τις επιδράσεις πεδίου στα χαρακτηριστικά των ατόμων και των μορίων.
Απεικόνιση ενός θερμικού τρανζίστορ στερεάς κατάστασης που αναπτύχθηκε από το UCLA που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό πεδίο για τον έλεγχο της κίνησης της θερμότητας. (Εικόνα: H-Lab) Ενώ έχουν γίνει προσπάθειες για τον συντονισμό της θερμικής αγωγιμότητας, οι επιδόσεις τους έχουν υποφέρει λόγω της εξάρτησης από κινούμενα μέρη, ιοντικές κινήσεις ή συστατικά υγρού διαλύματος. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα αργές ταχύτητες μεταγωγής για την κίνηση της θερμότητας της τάξης των λεπτών ή πολύ πιο αργές, δημιουργώντας προβλήματα στην αξιοπιστία της απόδοσης καθώς και ασυμβατότητα με την κατασκευή ημιαγωγών. Το νέο θερμικό τρανζίστορ, το οποίο διαθέτει φαινόμενο πεδίου (διαμόρφωση της θερμικής αγωγιμότητας ενός υλικού με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου) και πλήρη στερεά κατάσταση (χωρίς κινούμενα μέρη), προσφέρει υψηλή απόδοση και συμβατότητα με ολοκληρωμένα κυκλώματα σε ημιαγωγούς διαδικασίες παραγωγής. Ο σχεδιασμός τους ενσωματώνει το φαινόμενο πεδίου στη δυναμική φόρτισης σε μια ατομική διεπαφή για να επιτρέπει άνευ προηγουμένου απόδοση χρησιμοποιώντας αμελητέα ισχύ για συνεχή εναλλαγή και ενίσχυση μιας ροής θερμότητας. Η ομάδα του UCLA έδειξε θερμικά τρανζίστορ με ηλεκτρική πύλη που πέτυχαν υψηλή απόδοση ρεκόρ με ταχύτητα μεταγωγής μεγαλύτερη από 1 megahertz ή 1 εκατομμύριο κύκλους ανά δευτερόλεπτο. Προσέφεραν επίσης 1,300% συντονισμό στη θερμική αγωγιμότητα και αξιόπιστη απόδοση για περισσότερους από 1 εκατομμύριο κύκλους μεταγωγής. Αυτή η απόδοση αντιπροσωπεύει τις υψηλότερες τιμές για θερμικές συσκευές στερεάς κατάστασης σε πολλές τάξεις μεγέθους σε σχέση με τα βέλτιστα αποτελέσματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως. "Αυτή η εργασία είναι το αποτέλεσμα μιας καταπληκτικής συνεργασίας στην οποία είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε τη λεπτομερή κατανόησή μας για τα μόρια και τις διεπαφές για να κάνουμε ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στον έλεγχο σημαντικών ιδιοτήτων υλικών με δυνατότητα για επιπτώσεις στον πραγματικό κόσμο", δήλωσε ο συν- συγγραφέας Paul Weiss, καθηγητής χημείας και βιοχημείας. Στο proof-of-concept σχεδιασμό τους, κατασκευάζεται μια αυτοσυναρμολογημένη μοριακή διεπαφή και λειτουργεί ως αγωγός για την κίνηση της θερμότητας. Η ενεργοποίηση και απενεργοποίηση ενός ηλεκτρικού πεδίου μέσω μιας τρίτης τερματικής πύλης ελέγχει τη θερμική αντίσταση στις ατομικές διεπαφές και έτσι η θερμότητα κινείται μέσω του υλικού με ακρίβεια. Οι ερευνητές επικύρωσαν την απόδοση του τρανζίστορ με πειράματα φασματοσκοπίας και διεξήγαγαν υπολογισμούς θεωρίας πρώτων αρχών που αντιπροσώπευαν τις επιδράσεις πεδίου στα χαρακτηριστικά των ατόμων και των μορίων.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=64019.php
