UCLAs Durchbruch in der Halbleiter-Thermotransistor-Technologie

von Amir Hussein
5 Kommentare
Solid-State Thermal Transistor

Forscher der UCLA haben einen bahnbrechenden Festkörper-Thermotransistor vorgestellt, eine bedeutende Innovation auf dem Gebiet des Wärmemanagements für Halbleiter. Dieses Gerät verwaltet die Wärmebewegung in Halbleitermaterialien mithilfe eines elektrischen Felds effizient. Eine Illustration dieses von der UCLA entwickelten Geräts zeigt seine Fähigkeit, den Wärmefluss zu manipulieren. Diese Entwicklung wurde von H-Lab an der UCLA erreicht.

Dieses innovative elektronische Instrument verwaltet präzise die Aktivierung und Deaktivierung der Wärmeübertragung.

Eine Gruppe von UCLA-Wissenschaftlern hat einen bahnbrechenden, stabilen Festkörper-Thermotransistor vorgestellt. Dieses Gerät nutzt auf einzigartige Weise ein elektrisches Feld, um die Wärmebewegung in einem Halbleiter zu steuern. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Studie erklärt die Funktionsweise dieses Geräts und seine möglichen Einsatzmöglichkeiten. Es zeichnet sich durch seinen schnellen Betrieb und seine hohe Effizienz aus und könnte die Wärmekontrolle in Computerchips durch Atom- und Molekulartechnik revolutionieren. Darüber hinaus könnte es unser Verständnis der Wärmeregulierung im menschlichen Körper verbessern.

Fortschritte im Wärmemanagement

Yongjie Hu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA, bemerkte: „Die präzise Steuerung des Wärmeflusses durch Materialien war für Physiker und Ingenieure ein anspruchsvolles Ziel.“ Diese Innovation stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels dar und steuert den Wärmefluss durch das Ein- und Ausschalten eines elektrischen Feldes, ähnlich der Funktion elektrischer Transistoren seit vielen Jahren.

Elektrische Transistoren, die für die moderne Informationstechnologie unverzichtbar sind, wurden ursprünglich in den 1940er Jahren von Bell Labs entwickelt. Sie bestehen aus drei Komponenten: einem Tor, einer Quelle und einer Senke. Das Anlegen eines elektrischen Feldes durch das Gate moduliert den Stromfluss und ermöglicht es diesen Halbleiterbauelementen, elektrische Signale zu verstärken oder zu schalten. Die Miniaturisierung von Transistoren hat jedoch dazu geführt, dass Milliarden von Transistoren auf einen einzigen Chip passen, was zu einer erhöhten Wärmeproduktion und einer Beeinträchtigung der Chipleistung führt. Herkömmliche Kühlkörper leiten die Wärme passiv ab, die dynamische, aktive Wärmeregulierung stellt jedoch immer noch eine Herausforderung dar.

Frühere Barrieren überwinden

Frühere Versuche, die Wärmeleitfähigkeit anzupassen, waren aufgrund ihrer Abhängigkeit von beweglichen Teilen, Ionenbewegungen oder flüssigen Komponenten mit Herausforderungen verbunden, was zu langsamen Schaltgeschwindigkeiten bei Wärmebewegungen und Zuverlässigkeitsproblemen führte, was mit der Halbleiterfertigung nicht vereinbar war.

Der neu entwickelte Thermotransistor mit Feldeffekt- und Festkörperdesign (keine beweglichen Teile) bietet hohe Leistung und Kompatibilität mit Halbleiterfertigungsprozessen. Sein Design beinhaltet die Manipulation der Ladungsdynamik an der Atomgrenzfläche und ermöglicht so eine effektive Wärmeflusskontrolle bei minimalem Stromverbrauch.

Außergewöhnliche Leistung und Anwendungen

Die UCLA-Forscher demonstrierten Thermotransistoren mit elektrischem Gating und erreichten eine rekordverdächtige Schaltgeschwindigkeit von über 1 Megahertz (1 Million Zyklen pro Sekunde). Diese Transistoren zeigten eine Einstellbarkeit der Wärmeleitfähigkeit von 1.300% und eine anhaltend zuverlässige Leistung über 1 Million Schaltzyklen.

Paul Weiss, Co-Autor und Professor für Chemie und Biochemie, hob den Erfolg der Zusammenarbeit hervor und stellte deutliche Verbesserungen bei Geschwindigkeit und Umfang des thermischen Schaltens im Vergleich zu früheren Möglichkeiten fest.

Ihr Proof-of-Concept umfasst eine selbstorganisierte molekulare Schnittstelle, die als Wärmebewegungskanal fungiert. Der Wärmewiderstand an Atomgrenzflächen wird durch das Ein- und Ausschalten eines elektrischen Feldes über einen Gate-Anschluss gesteuert, wodurch eine präzise Wärmebewegung durch das Material ermöglicht wird.

Die Studie bestätigt die Wirksamkeit des Transistors durch Spektroskopieexperimente und Computeranalysen und berücksichtigt dabei Feldeffekte auf atomare und molekulare Eigenschaften.

Diese Forschung stellt einen skalierbaren technologischen Fortschritt für nachhaltige Energie in der Chipherstellung und -leistung dar. Hu weist auch auf das Potenzial dieser Technologie für das Verständnis des Wärmemanagements im menschlichen Körper hin, insbesondere auf molekularer Ebene.

An der Forschung mit dem Titel „Elektrisch gesteuerter molekularer Thermoschalter“ sind verschiedene mit der UCLA verbundene Autoren beteiligt und sie wurde von mehreren Stiftungen und Institutionen unterstützt. Das Veröffentlichungsdatum der Studie ist der 2. November 2023 in der Zeitschrift Science mit der DOI-Referenz 10.1126/science.abo4297.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu Halbleiter-Thermotransistoren

Was ist der jüngste Durchbruch der UCLA in der Wärmemanagementtechnologie?

UCLA-Forscher haben einen neuartigen Festkörper-Thermotransistor entwickelt, der die Wärmebewegung von Halbleitern mithilfe eines elektrischen Feldes steuert. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt beim Wärmemanagement in Computerchips dar und könnte zum Verständnis der Wärmeregulierung des menschlichen Körpers beitragen.

Wie funktioniert der von der UCLA entwickelte Festkörper-Thermotransistor?

Der Transistor nutzt ein elektrisches Feld, um die Wärmebewegung in Halbleiterbauelementen zu steuern. Es funktioniert durch Manipulation der Ladungsdynamik an der Atomschnittstelle und ermöglicht so eine präzise und effiziente Steuerung der Wärmeübertragung.

Was sind die möglichen Anwendungen des Festkörper-Thermotransistors der UCLA?

Die Hauptanwendung liegt im Bereich des Wärmemanagements von Computerchips, wo es die Leistung und Effizienz von Chips erheblich verbessern kann. Darüber hinaus hat es das Potenzial, das Verständnis und die Kontrolle der Wärmeregulierung im menschlichen Körper zu verbessern.

Was unterscheidet den Thermotransistor der UCLA von früheren Wärmemanagementtechnologien?

Der Thermotransistor der UCLA ist einzigartig in seinem vollständig Festkörperdesign, das heißt, er hat keine beweglichen Teile. Dies ermöglicht schnellere Schaltgeschwindigkeiten und eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu früheren Technologien, die auf beweglichen Teilen oder flüssigen Komponenten beruhten.

Wer waren die Hauptakteure dieser Forschung an der UCLA?

Die Forschung wurde von Professor Yongjie Hu von der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Professor Paul Weiss von der Fakultät für Chemie und Biochemie zusammen mit einem Forscherteam der UCLA geleitet.

Was sind die Leistungsfähigkeiten des von der UCLA entwickelten Thermotransistors?

Der Transistor erreichte eine rekordverdächtige Schaltgeschwindigkeit von über 1 Megahertz (1 Million Zyklen pro Sekunde) und eine Abstimmbarkeit der Wärmeleitfähigkeit von 1.300% mit zuverlässiger Leistung für mehr als 1 Million Schaltzyklen.

Wurde der UCLA-Thermotransistor in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht?

Ja, die Forschung, die den Festkörper-Thermotransistor detailliert beschreibt, wurde am 2. November 2023 in der Zeitschrift Science unter dem Titel „Elektrisch gesteuerter molekularer Thermoschalter“ veröffentlicht.

Mehr über Festkörper-Thermotransistoren

  • UCLA Samueli School of Engineering
  • Veröffentlichung im Wissenschaftsjournal
  • Ankündigung im UCLA-Newsroom
  • Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA
  • Abteilung für Chemie und Biochemie an der UCLA
  • Forschungsstipendien der National Institutes of Health
  • Alfred P. Sloan Stiftung
  • Nationale Wissenschaftsstiftung
  • UCLA Nanolab-Ressourcen
  • California NanoSystems Institute an der UCLA
  • UCLA-Institut für digitale Forschung und Bildung

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5 Kommentare

Alex B Dezember 26, 2023 - 8:31 am

Ich muss die Köpfe an der UCLA schätzen, diese Thermotransistor-Sache ist bahnbrechend. Ich frage mich, wie bald sie in tatsächlichen Produkten verwendet wird?

Antwort
Emma T Dezember 26, 2023 - 12:51 pm

Ich habe darüber im Science Journal gelesen, der Artikel war ziemlich ausführlich. Es ist faszinierend, wie dieser Transistor funktioniert, mit Sicherheit ein großer Sprung in der Halbleitertechnologie

Antwort
Sarah K Dezember 26, 2023 - 3:42 pm

Wow, das ist riesig, die Wärmekontrolle in Halbleitern war schon immer eine Herausforderung, Hut ab vor dem UCLA-Team

Antwort
Dave R Dezember 26, 2023 - 9:45 pm

Ich interessiere mich nicht besonders für Technik, aber das scheint mir eine große Sache zu sein, insbesondere wenn es darum geht, wie es dabei helfen könnte, die menschliche Körperwärme zu verstehen? ziemlich cool

Antwort
Mike Johnson Dezember 27, 2023 - 1:56 am

Hier gibt es wirklich interessante Dinge, die UCLA bringt immer erstaunliche Technologien hervor, dieser Thermotransistor könnte wirklich Dinge im Chip-Design verändern

Antwort

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