東京大學科學家宣布了一種不需要移動部件的電冷卻新方法，通過對半導體砷化鋁鎵制成的量子阱施加偏壓，可以使電子在稱為“蒸發(fā)冷卻”的過程中散發(fā)一些熱量。

可以使用傳統(tǒng)半導體制造方法將基于該原理的設備添加到電子電路板，以幫助智能手機和膝上型計算機避免由高溫引起的性能問題。隨著智能手機、平板電腦和筆記本電腦變得更小、更強大，過熱的可能性變得越來越緊迫。當前可用的風扇噪音大，并且有可能發(fā)生故障的移動部件。

現(xiàn)在，東京大學工業(yè)科學研究所的科學家們推出了一種新的固態(tài)解決方案，這種解決方案由半導體制成，可以很容易地直接制造到智能手機或筆記本電腦中?，F(xiàn)代便攜式設備促成了當前的信息革命，然而，這種小型化伴隨著來自產生余熱的固有挑戰(zhàn)，新系統(tǒng)允許使用標準的半導體制造工藝進行芯片上冷卻。量子阱是一種納米級的結構，小到足以捕獲電子。在這項研究中使用的量子阱類型稱為非對稱雙勢壘異質結。

在這些裝置中，非常窄的砷化鎵井被砷化鋁層隔開。當施加的偏置電壓等于阱內量子能級的能量時，電子可以利用共振隧穿輕松地通過勢壘。然而，只有具有高動能的電子才能繼續(xù)通過第二個勢壘。由于“較熱”的快速移動電子逃逸，而“較冷”的慢電子被捕獲，設備變得更冷。這種“蒸發(fā)冷卻”類似于當你走出游泳池時讓你感到寒冷的過程。具有最多熱能的水分子首先蒸發(fā)，帶走熱量?，F(xiàn)在已經在環(huán)境條件下實現(xiàn)了高達50攝氏度的電子冷卻。

這些結果使量子阱設備有望在智能設備中進行全面的熱管理。未來的智能手機可能會配備內部電路板，里面裝滿了更多元件，只要它們也有一些這樣的冷卻量子阱，其研究成果現(xiàn)在發(fā)表在《自然通訊》期刊上。高速、密集封裝的電子/光子器件的快速發(fā)展給，社會帶來了前所未有的好處。然而，這種技術趨勢反過來導致散熱的巨大增加，這降低了設備的性能和壽命。

從此以后，科學和技術的挑戰(zhàn)就在于這種高性能設備的有效冷卻。該研究在不對稱AlGaAs/GaAs(AlGaAs/GaAs)雙勢壘異質結中的蒸發(fā)電子冷卻。量子阱(QW)和電極中的電子溫度Te由光致發(fā)光測量確定。在300?K時，隨著偏置電壓增加到最大共振隧穿條件，量子阱中的電子溫度Te逐漸降低到250?K，而電極中的電子溫度Te保持不變。這種行為用蒸發(fā)冷卻過程來解釋，并用量子輸運理論定量描述。

博科園｜研究/來自：東京大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-12488-9

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