半導(dǎo)體技術(shù)突破有望？“極化子”可開(kāi)辟一條傳熱高速公路

在熱傳遞的“高速公路”上，熱能通過(guò)稱(chēng)為聲子的量子粒子傳遞。但在當(dāng)今最尖端的納米級(jí)半導(dǎo)體中，這些聲子并不能帶走足夠的熱量。

　　有鑒于此，美國(guó)普渡大學(xué)的研究人員希望在傳熱“高速公路”上開(kāi)辟一條新的納米通道，通過(guò)使用被稱(chēng)為“極化子”的混合準(zhǔn)粒子。

　　普渡大學(xué)機(jī)械工程副教授Thomas Beechem解釋說(shuō)，“我們有幾種描述能量的方法。當(dāng)我們談?wù)摴鈺r(shí)，我們用稱(chēng)為‘光子’的粒子來(lái)描述它。熱量也以可預(yù)測(cè)的方式攜帶能量，我們把這些能量波稱(chēng)為‘聲子’?！?/p>

　　“但有時(shí)根據(jù)材料的不同，光子和聲子會(huì)結(jié)合在一起，形成一種叫做‘極化子’的新東西。它以自己的方式攜帶能量，與光子或聲子不同。”他補(bǔ)充說(shuō)。

　　像光子和聲子一樣，極化子不是人類(lèi)可以看到或捕獲的物理粒子。它們更像是描述能量交換的方式。更生動(dòng)地說(shuō)，“聲子就像內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，光子就像電動(dòng)汽車(chē)”，而極化子就是“混合動(dòng)力車(chē)”，它保留了兩者的一些特性，但也有自己的特殊之處。

　　事實(shí)上，極化子已被用于光學(xué)應(yīng)用——從彩色玻璃到家庭健康測(cè)試。但它們轉(zhuǎn)移熱量的能力在很大程度上被忽視了，因?yàn)橹挥挟?dāng)材料的尺寸變得非常小時(shí)，它們的影響才會(huì)變得顯著。

　　研究人員說(shuō)：“我們知道，聲子承擔(dān)了大部分的傳熱工作，極化子的效應(yīng)只能在納米尺度上觀察到。但由于半導(dǎo)體的存在，我們直到現(xiàn)在才需要解決這個(gè)級(jí)別的傳熱問(wèn)題?！?/p>

　　“半導(dǎo)體已經(jīng)變得非常小和復(fù)雜，”他們繼續(xù)說(shuō)，“設(shè)計(jì)和制造這些芯片的人發(fā)現(xiàn)，聲子在這些非常小的尺度上不能有效地分散熱量。我們的論文表明，在這些長(zhǎng)度尺度上，極化子可以貢獻(xiàn)更大的導(dǎo)熱率?！?/p>

　　最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《應(yīng)用物理雜志》上。

　　研究人員表示，“在熱傳導(dǎo)領(lǐng)域，我們對(duì)極化效應(yīng)的描述非常具體。最新研究證明了這不是隨機(jī)事件。在任何厚度小于10納米的表面上，極化子都會(huì)開(kāi)始主導(dǎo)熱傳遞。這是iPhone 15上晶體管的兩倍?！?/p>

　　“我們基本上在高速公路上開(kāi)辟了一條額外的車(chē)道。器件越小，這條額外的通道就越重要。隨著半導(dǎo)體的不斷縮小，我們需要考慮設(shè)計(jì)傳導(dǎo)路徑，以利用聲子和極化子這兩條車(chē)道?！彼麄冄a(bǔ)充道。

　　研究人員還稱(chēng)，芯片制造涉及到很多材料，從硅本身到電介質(zhì)和金屬。其最新研究的前進(jìn)方向是了解如何使用這些材料更有效地傳導(dǎo)熱量，認(rèn)識(shí)到極化提供了一條全新的能量轉(zhuǎn)移途徑。

　　認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，研究人員希望向芯片制造商展示如何將這些基于極化的納米級(jí)傳熱原理整合到芯片的物理設(shè)計(jì)中。雖然這項(xiàng)工作目前還停留在理論階段，但物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)迫在眉睫。