Science：首个“热晶体管”，用电场控制热开关

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Science：首个“热晶体管”，用电场控制热开关

2023-11-28

1947年，贝尔实验室的科学家威廉•肖克利、约翰•巴丁和沃尔特•布拉丁发明了三端固态器件——晶体管，通过第三个电极来调节半导体的电导率，可作为开关和放大器使用。这一发现被认为具有革命性，为电子学的发展奠定了基础，也极大的改变了我们的生活，三人因此于1956年获得诺贝尔物理学奖。

朗讯科技公司为纪念晶体管发明50周年而制作的模型。图片来源：Wikipedia [1]

既然电场可以改变半导体的电导率，那么有没有可能调节热导率呢？近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）胡永杰（Yongjie Hu）教授领导的研究团队在Science 杂志上发表论文，设计出首个全固态“晶体管”型分子热开关器件，可以通过电场调控热流。这种基于自组装分子结的器件，热导率开关比高达1300%，开关速度超过1 MHz，可开关超过百万次。

全固态热晶体管开关的概念图。图片来源：UCLA [2]

控制热传递在生产和生活的诸多领域都是一项挑战，从手机、笔记本等电子设备到能源系统、工业加工、航空航天等领域，都需要解决热管理问题。尽管物理散热已广泛应用于日常生活及工业生产，比如风扇、散热片，以及利用相变过程（如蒸发和凝结）来吸收和释放热量，早期的研究中，也有采用二极管实现热整流 [3]。然而，这些方法的开关比通常较小，而且固有的响应速度通常较慢。可以说，我们对于热的控制能力远远落后于对电子的控制能力。

纳米尺度热二极管。图片来源：Nat. Commun. [3]

UCLA的研究者借用电子晶体管的符号来表示热晶体管开关的概念，器件采用笼状碳硼烷硫醇单分子层（SAM）作为沟道材料，底层蒸镀金（Au），顶部则转移上单层石墨烯。沟道两端分别与冷热源（TC和TH）相连。通过第三端可作为栅极，使用电场控制沟道的热导率。

笼状碳硼烷硫醇分子，黑色、绿色和黄色球分别表示C、B和S原子。图片来源：ACS Nano [4]

神奇的是，器件的单位面积热导率表现出对栅压的高度依赖性。当栅压从2.5 V变化到-2.5 V时，热导率也从10升高到134 MW/m2 K，前后开关比超过1300%，远高于此前报道的各种热开关。此外，器件具有高度可逆性，长达100万个循环周期后，仍具有高开关比。

热晶体管开关器件的设计及表征。图片来源：Science

通过密度泛函理论（DFT）计算，Au和SAM中的S原子形成较弱的共价键，对栅压改变非常敏感。当施加负栅压时，电子更多地被吸引在硫原子附近；相反地当施加正栅压时，电子被从S原子周围拉远。S和Au原子之间电子云密度的减少，抑制了它们的共价相互作用，并减弱了键合强度。第一性原理计算进一步显示，Au-S键形成沟道内的热阻，栅压实现热导率调控与此有关。加上顶层石墨烯形成Au-SAM-graphene系统后，键能对电压呈单调关系，与实验测得的热导率对栅压变化曲线的趋势相似。原位表面增强拉曼技术对Au-S和石墨烯-SAM之间的拉伸振动测量也得到相同的结论。这些证据表明，热晶体管开关的机理是通过电场诱导电荷分布，调节化学键强度，从而控制热导率。

热晶体管开关机理分析。图片来源：Science

热晶体管开关除了具备高开关比之外，还具有超快的开关频率。利用泵浦激光束加热，飞秒激光脉冲检测温度响应，从而确定热导率。热晶体管的热导率可以在0.1 Hz到1 MHz频率下实现开关状态的可逆切换。通过对热传导进行电场控制，高开关频率更容易与现代电子工业兼容，使声子与电子和光子相结合，用于未来的信息处理。

热晶体管开关超快的开关频率。图片来源：Science

“精确控制热量如何流过材料一直是物理学家和工程师长期以来但难以实现的梦想”，胡教授说，“这种新的设计原理朝着这个方向迈出了一大步，它通过电场的开关来管理热运动，很类似电子晶体管”。论文另一位作者、材料领域专家Paul Weiss教授也表示，“这是一项了不起的合作，我们利用对碳硼烷分子和界面的了解，将热开关的速度提高了几个数量级”。[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Electrically gated molecular thermal switch 

Man Li, Huan Wu, Erin M. Avery, Zihao Qin, Dominic P. Goronzy, Huu Duy Nguyen, Tianhan Liu, Paul S. Weiss, Yongjie Hu

Science, 2023, 382, 585-589. DOI: 10.1126/science.abo4297

参考文献：

[1] History of the transistor

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_transistor 

[2] UCLA Researchers Develop Solid-State Thermal Transistor for Better Heat Management

https://samueli.ucla.edu/ucla-researchers-develop-solid-state-thermal-transistor-for-better-heat-management/ 

[3] R. Shrestha, et al. Dual-mode solid-state thermal rectification. Nat. Commun. 2020, 11, 4346. DOI: 10.1038/s41467-020-18212-2

[4] J. N. Hohman, et al. Self-Assembly of Carboranethiol Isomers on Au{111}: Intermolecular Interactions Determined by Molecular Dipole Orientations. ACS Nano 2009, 3, 527-536. DOI: 10.1021/nn800673d

（本文由小希供稿）

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