UCLA Meluncurkan Transistor Termal Solid-State yang Revolusioner

Perangkat elektronik baru secara tepat dan cepat mengontrol nyala dan matinya panas.

Sebuah tim ilmuwan dari UCLA telah meluncurkan transistor solid-state pertama yang stabil secara termal dan menggunakan medan listrik untuk mengontrol pergerakan panas perangkat semikonduktor.

Studi kelompok tersebut, yang baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Sains, merinci cara kerja perangkat dan potensi penerapannya. Dengan kecepatan dan kinerja tertinggi, transistor dapat membuka batas baru dalam manajemen termal chip komputer melalui desain tingkat atom dan rekayasa molekuler. Kemajuan ini juga dapat memperluas pemahaman tentang bagaimana panas diatur dalam tubuh manusia.

Lompatan dalam Teknologi Manajemen Panas

“Kontrol yang tepat tentang bagaimana panas mengalir melalui material telah lama menjadi impian para fisikawan dan insinyur,” kata salah satu penulis studi tersebut, Yongjie Hu, seorang profesor teknik mesin dan ruang angkasa di Universitas Washington. Universitas California Sekolah Teknik Samueli.” Prinsip desain baru ini mengambil lompatan besar ke arah tersebut, karena prinsip ini mengatur pergerakan panas dengan menghidupkan dan mematikan medan listrik, seperti yang telah dilakukan pada transistor listrik selama beberapa dekade.”

Transistor listrik adalah landasan dasar teknologi informasi modern. Mereka pertama kali dikembangkan oleh Bell Labs pada tahun 1940an dan memiliki tiga terminal — gerbang, sumber, dan wastafel. Ketika medan listrik diterapkan melalui gerbang, hal ini mengatur bagaimana listrik (dalam bentuk elektron) bergerak melalui chip. Perangkat semikonduktor ini dapat memperkuat atau mengarahkan sinyal dan daya listrik. Namun, karena ukurannya yang terus menyusut selama bertahun-tahun, miliaran transistor dapat ditampung dalam satu chip, sehingga menghasilkan lebih banyak panas yang dihasilkan dari pergerakan elektron, sehingga mempengaruhi kinerja chip. Unit pendingin konvensional secara pasif menarik panas dari titik panas, namun menemukan kontrol yang lebih dinamis untuk mengelola panas secara aktif masih merupakan sebuah tantangan.

Mengatasi Keterbatasan Sebelumnya

Meskipun ada upaya untuk menyesuaikan konduktivitas termal, kinerjanya menurun karena ketergantungan pada bagian yang bergerak, gerakan ionik, atau komponen larutan cair. Hal ini mengakibatkan laju perpindahan panas menjadi lambat, hanya beberapa menit atau jauh lebih lambat, sehingga menyebabkan masalah dalam keandalan kinerja serta ketidakcocokan dengan manufaktur semikonduktor.

Transistor termal baru, yang menawarkan efek medan (modulasi konduktivitas termal suatu material dengan penerapan medan listrik eksternal) dan keadaan padat penuh (tidak ada bagian yang bergerak), menawarkan kinerja tinggi dan kompatibilitas dengan sirkuit terpadu dalam proses manufaktur semikonduktor. Desain tim menggabungkan efek medan pada dinamika muatan pada antarmuka atom untuk memungkinkan kinerja tinggi menggunakan daya yang dapat diabaikan untuk terus beralih dan memperkuat fluks panas.

Kinerja Pemecah Rekor dan Potensi Penerapannya

Tim UCLA mendemonstrasikan transistor termal dengan gerbang listrik yang mencapai rekor kinerja tinggi dengan kecepatan peralihan lebih dari 1 megahertz, atau 1 juta siklus per detik. Mereka juga menawarkan penyesuaian 1.300% dalam konduktansi termal dan kinerja yang andal untuk lebih dari 1 juta siklus peralihan.

“Pekerjaan ini adalah hasil kolaborasi luar biasa di mana kami dapat memanfaatkan pemahaman terperinci kami tentang molekul dan antarmuka untuk membuat langkah maju yang besar dalam pengendalian sifat material penting dengan potensi dampak dunia nyata,” kata rekan penulis. Paul Weiss, seorang profesor kimia dan biokimia. “Kami telah mampu meningkatkan kecepatan dan ukuran efek peralihan termal berkali-kali lipat dibandingkan sebelumnya.”

Dalam desain pembuktian konsep tim, dibuat antarmuka molekuler yang dirakit sendiri yang bertindak sebagai saluran pergerakan panas. Menghidupkan dan mematikan medan listrik melalui gerbang terminal ketiga mengontrol hambatan termal di seluruh antarmuka atom yang memungkinkan panas bergerak melalui material dengan presisi.
Para peneliti memvalidasi kinerja transistor dengan eksperimen spektroskopi dan melakukan perhitungan teoritis prinsip pertama yang memperhitungkan efek medan pada karakteristik atom dan molekul.

Studi ini menyajikan inovasi teknologi terukur untuk energi berkelanjutan dalam produksi dan kinerja chip. Hu menyarankan konsep tersebut juga menawarkan cara baru untuk memahami manajemen panas dalam tubuh manusia.

“Pada tingkat yang paling mendasar, platform ini dapat memberikan wawasan tentang mekanisme tingkat molekuler dalam sel hidup,” tambah Hu.

Referensi: “Saklar termal molekuler dengan gerbang listrik” oleh Man Li, Huan Wu, Erin M. Avery, Zihao Qin, Dominic P. Goronzy, Huu Duy Nguyen, Tianhan Liu, Paul S. Weiss dan Yongjie Hu, 2 November 2023, Sains.
DOI: 10.1126/science.abo4297

Penulis lain yang terlibat dalam makalah ini – semuanya dari UCLA – termasuk Man Li, Huan Wu, Erin Avery, Zihao Qin, Dominic Goronzy, Huu Duy Nguyen dan Tianhan Liu. Hu dan Weiss juga berafiliasi dengan California NanoSystems Institute, serta departemen Bioteknologi dan Sains dan Teknik Material UCLA Samueli.

Penelitian ini didukung oleh dana hibah dari Institut Kesehatan Nasional, Yayasan Alfred P. Sloan dan Yayasan Sains Nasional. Dukungan teknis diberikan oleh UCLA Nanolab dan California NanoSystems Institute di UCLA. Sumber daya komputasi disediakan oleh Institut Penelitian dan Pendidikan Digital UCLA dan oleh Ekosistem Koordinasi Infrastruktur Siber Tingkat Lanjut: Layanan & Dukungan.