Transístor termal de estado sólido controla eletricamente o fluxo de calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/11/2023

O transístor térmico de estado sólido usa um campo elétrico para controlar o movimento do calor.
[Imagem: H-Lab/UCLA]

Transístor termal

Um novo tipo de transístor termal - o primeiro do seu tipo em nanoescala - controla o calor em vez da eletricidade, e com a vantagem de que o fluxo de calor através do semicondutor é controlado eletricamente. Em outras palavras, o componente permite ligar e desligar a passagem do calor.

Com velocidade e desempenho máximos, o transístor termal é visto como a melhor saída para o gerenciamento de calor nos chips de computador porque seu projeto é igualmente miniaturizado, mais ainda do que o primeiro transístor térmico de estado sólido apresentado por pesquisadores japoneses no início deste ano. Na verdade, ao chegar ao nível atômico explorando a engenharia molecular, este novo componente poderá até mesmo aprofundar a compreensão de como o calor é regulado no corpo humano.

E, claro, há a fonônica, ou eletrônica do calor, que pode ir além do gerenciamento térmico de chips.

"Controlar precisamente como o calor flui através dos materiais tem sido um sonho antigo, mas ilusório, para físicos e engenheiros," disse o professor Yongjie Hu, da Universidade da Califórnia de Los Angeles. "Este novo princípio de design dá um grande salto nessa direção, pois gerencia o movimento do calor com a comutação liga-desliga de um campo elétrico, assim como tem sido feito com os transistores elétricos há décadas."

O transístor de calor já nasce abaixo da escala dos transistores eletrônicos atuais - SAM é a sigla para camada monoatômica automontada (self-assembled monolayer).
[Imagem: Man Li et al. - 10.1126/science.abo4297]

Transístor para controlar o calor

O transístor elétrico tradicional é o bloco de construção fundamental da moderna tecnologia da informação. Quando um campo elétrico é aplicado através dele, o componente regula como a eletricidade (na forma de elétrons) se move através do chip. Mas isso gera calor, que aumenta conforme os transistores têm sido miniaturizados e adensados dentro dos chips. Os dissipadores de calor convencionais retiram passivamente o calor dos pontos mais quentes, mas continua sendo um desafio encontrar um controle mais dinâmico para regular ativamente o calor dentro dos processadores.

O melhor caminho está no controle da condutividade térmica dos materiais, mas as soluções encontradas até agora envolvem peças móveis, movimentos iônicos ou componentes de soluções líquidas, tudo complicado, grande e pouco confiável.

É aí que entra o novo transistor térmico, que possui um efeito de campo (modulação da condutividade térmica de um material pela aplicação de um campo elétrico externo), é totalmente de estado sólido (sem partes móveis) e tem compatibilidade total com os circuitos integrados e com os processos de fabricação de semicondutores. O projeto do componente incorpora o efeito de campo na dinâmica de carga em uma interface atômica, usando uma potência insignificante para chavear ou amplificar continuamente um fluxo de calor.

E, mesmo em escala de protótipo, o componente já alcançou um alto desempenho, com uma velocidade de comutação de mais de 1 megahertz, ou 1 milhão de ciclos por segundo, ajuste da condutância térmica de 1.300% e desempenho confiável em mais de 1 milhão de ciclos de comutação.

Operando em escala molecular, o componente é incrivelmente rápido.
[Imagem: Man Li et al. - 10.1126/science.abo4297]

Como funciona o transístor de calor

O transístor termal é formado por uma interface molecular automontada que funciona como um canal para o movimento do calor, que flui através dos primeiros dois eletrodos. Ligar e desligar um campo elétrico através de um terceiro terminal, por sua vez, controla a resistência térmica através do canal, permite assim que o calor se mova através da interface atômica com precisão.

Os pesquisadores validaram o desempenho do transístor com experimentos de espectroscopia e ainda realizaram cálculos teóricos de primeiros princípios que levaram em conta os efeitos de campo nas características dos átomos e moléculas da interface. O nível de precisão é tamanho que a equipe afirma que, além da eletrônica, o dispositivo pode ajudar a estudar os mecanismos de movimento do calor até mesmo em células vivas.

"Este trabalho é o resultado de uma colaboração incrível, na qual fomos capazes de aproveitar nossa compreensão detalhada de moléculas e interfaces para dar um grande passo no controle de propriedades importantes de materiais com potencial de impacto no mundo real," disse o professor Paul Weiss. "Conseguimos melhorar a velocidade e o tamanho do efeito de comutação térmica em ordens de grandeza em relação ao que era possível anteriormente."

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