固态热晶体管通过电场控制热运动。图片来源：胡永杰实验室/加州大学洛杉矶分校

美国加州大学洛杉矶分校研究人员推出了首个稳定的全固态热晶体管，它使用电场来控制半导体器件的热运动。据11月3日发表在《科学》杂志上的研究，该晶体管具有迄今最高的速度和性能，通过原子级设计和分子工程，可开辟计算机芯片热管理的新领域。这一进展还有助于了解人体如何调节热量。

论文合著者、加州大学洛杉矶分校工程学院机械和航空航天工程教授胡永杰表示，精确控制热量如何流经材料，长期以来一直是物理学家和工程师的梦想。这种通过电场的开关来管理热运动的新设计原理，朝这个方向迈出了一大步。

新型热晶体管具有场效应（通过施加外部电场来调制材料的热导率）和全固态（无移动部件）的优点，展现出高性能并与半导体集成电路制造工艺兼容。该团队的设计结合了原子界面上电荷动力学的场效应，连续切换和放大热通量所使用的功率几乎可忽略不计。

团队展示的电门控热晶体管实现了创纪录的高性能，将热开关效应的速度和规模比以前提高几个数量级，开关速度超过1兆赫兹，其还具有1300%的热导可调性以及超过100万次开关周期的可靠性能。

在概念验证设计中，团队制造了一个自组装分子界面，充当热运动的管道。通过打开和关闭电场可控制原子界面上的热阻，进而允许热量精确地穿过材料。团队现已通过光谱实验验证了晶体管的性能，并进行了第一性原理理论计算，解释了场对原子和分子特性的影响。

胡永杰表示，这个概念还提供了一种理解人体热量管理的新方法，在非常基础的层面上，该平台可为活细胞的分子水平机制提供见解。