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(noticias nanowerk) Investigadores de UCLA han presentado el primer transistor térmico estable y completamente de estado sólido de su tipo que utiliza un campo eléctrico para controlar dinámicamente la disipación de calor, revolucionando la electrónica semiconductora del futuro, el empaquetado de circuitos integrados 3D y el diseño de chips.
«Controlar con precisión el flujo de calor a través de los materiales es un sueño antiguo pero difícil de alcanzar para físicos e ingenieros», dijo el líder del estudio Yongjie Hu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA. «Este nuevo principio de diseño supone un gran paso en esa dirección, ya que regula el movimiento del calor activando y desactivando un campo eléctrico, tal como se ha hecho con los transistores eléctricos durante décadas».
Los transistores eléctricos son los componentes básicos de la tecnología de la información moderna. Desarrollados por primera vez por Bell Labs en la década de 1940, tienen tres terminales: una puerta, una fuente y un sumidero. Cuando se aplica un campo eléctrico a través de la puerta, se regula cómo se mueve la electricidad (en forma de electrones) a través del chip. Estos dispositivos semiconductores pueden amplificar o conmutar señales eléctricas y energía. Sin embargo, a medida que se vuelven más pequeños con el paso de los años, miles de millones de transistores pueden caber en un chip, generando más calor por el movimiento de los electrones, lo que afecta el rendimiento del chip. El problema del calentamiento empeora en los semiconductores de banda prohibida amplia y en los circuitos integrados 3D, convirtiéndose en un importante desafío de cuello de botella. Los disipadores de calor tradicionales disipan pasivamente el calor de los puntos calientes; Sin embargo, encontrar un método de control dinámico para regular activamente el calor sigue siendo un desafío.
Aunque se han hecho esfuerzos para ajustar la conductividad térmica, su rendimiento se ha visto comprometido por la dependencia de piezas móviles, movimiento de iones o componentes de soluciones líquidas. Esto resultó en velocidades de conmutación de movimiento térmico lentas del orden de minutos o mucho más lentas, lo que generó problemas de confiabilidad del rendimiento, así como incompatibilidades con la fabricación de semiconductores.
El nuevo transistor térmico, que presenta un efecto de campo (la modulación de la conductividad térmica de un material mediante la aplicación de un campo eléctrico externo) y un estado completamente sólido (sin partes móviles), ofrece alto rendimiento y compatibilidad con circuitos integrados en el proceso de fabricación de semiconductores. Su diseño tiene en cuenta el efecto de campo sobre la dinámica de carga en una interfaz atómica para permitir un rendimiento sin precedentes con un consumo de energía insignificante para cambiar y amplificar continuamente un flujo de calor.
El equipo de UCLA demostró transistores térmicos controlados eléctricamente que lograron un rendimiento récord con una velocidad de conmutación de más de 1 megahercio, o 1 millón de ciclos por segundo. También ofrecieron una capacidad de ajuste de la conductividad térmica del 1300 % y un rendimiento confiable durante más de 1 millón de ciclos de conmutación. Este rendimiento representa los valores más altos para dispositivos térmicos de estado sólido y es varios órdenes de magnitud superior a los mejores resultados informados anteriormente.
«Este trabajo es el resultado de una gran colaboración en la que podemos utilizar nuestra comprensión detallada de las moléculas y las interfaces para dar un gran paso adelante en el control de propiedades materiales importantes con potencial de impacto en el mundo real», dijo el coautor Paul Weiss. Catedrático de Química y Bioquímica.
En su diseño de prueba de concepto, se crea una interfaz molecular autoensamblada que actúa como un canal para el movimiento térmico. Al encender y apagar un campo eléctrico a través de una puerta en el tercer puerto, se controla la resistencia térmica en las interfaces atómicas, conduciendo así el calor con precisión a través del material. Los investigadores validaron el rendimiento del transistor con experimentos de espectroscopia y realizaron cálculos de la teoría de primeros principios que explicaban los efectos de campo sobre las propiedades de átomos y moléculas.
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