中国科学家廖浡霖发现手机发烫元凶,研究成果或推进核电池发展

上世纪70年代,一个叫做戈登·摩尔的人凭着自己对于半导体行业的感觉提出了预测,每18个月就能将芯片的性能提高一倍。这个预测在过去的40年中一路证明了自己的正确,而芯片中晶体管的密度也跟着翻倍,翻倍,再翻倍。

对于熟悉芯片的人来说,高性能通常伴生这高发热,随着我们对电子产品的依赖程度日益增加,手机、平板、笔记本电脑等的发热问题,不仅对使用体验造成负面影响,同时还阻碍着生产商设计出更加美观、轻便的新产品。

要解决电子产品,尤其是微电子器件的发热问题,首先要理解这些热量产生的根本原因。而这个答案可能就藏在廖浡霖博士最新发表的论文中。这位前四川省高考状元师从陈刚教授,今年从麻省理工学院获得了博士学位。

他所在的研究团队精确测量了电子与声子的相互作用,所得成果不仅解释了微电子设备的发热原因,同时还能用以进一步提高热电材料的性能。

中国科学家廖浡霖发现手机发烫元凶,研究成果或推进核电池发展

随着半导体芯片的发展,越来越多的晶体管被塞入了越来越小的空间中。麻省理工学院的工程师最新发现,手机、笔记本电脑等其他电子设备会发烫,主要原因在于电子和携带热能的声子相互作用。

这样的相互作用曾一度被科学家们忽略,然而最新的研究结果显示,在微电子设备中,这种相互作用对散热起到了重大的影响,相关的研究结果发表在了10月12日的《Nature Communication》上。

在实验中,研究小组使用精确定时的激光脉冲在一片超薄硅薄膜中测量了电子和声子的相互作用。测量结果显示:随着薄膜中电子浓度增加,会有更多声子因被电子散射而导致散热困难。

麻省理工学院(MIT)毕业的廖浡霖博士是这篇论文的第一作者,他说道:“电脑运行时会产生热量,你肯定希望这些热量快速散掉(被声子带走)。但是,如果声子被电子散射,它们的散热效果就会变差。随着芯片越造越小,这个问题必须得到解决。”

但凡事既有一弊,必有一利,同样的现象对热电发电却会带来好处。热电材料可以直接将热能转化为电能,被散射掉的声子越多,意味着越少的热量流失,因此会大大提高热电装置的效率和性能。

热电材料具有非常广阔的应用范围,其中包括了热量探测仪和NASA最新提出用于太空探测设备的核电池。更多材料研究:www.yangfenzi.com/tag/caoliao

中国科学家廖浡霖发现手机发烫元凶,研究成果或推进核电池发展

声子被电子散射的现象并不是什么新发现,但是长期以来一直被科学家们忽略,随着半导体技术的不断发展,电子的浓度变得越来越高,这种现象变得不可忽视。

科学家们必须思考如何更操控电子-声子相互作用,这样才能一方面增加热电装置的效率,而另一方面防止微电子设备发烫。

这篇论文其他作者都来自MIT,其中包括了廖浡霖的博导,MIT机械工程系主任陈刚教授。

声子和电子的碰碰车游戏

无论是在晶体管(半导体材料,如硅)还是导线(导体材料,如铜)中,电子都是电流运动的主要媒介。电阻之所以会存在,主要原因是电子流动时会遇到路障——携带热能的声子会与电子碰撞,将其弹出电流的路径外。

很久以来,科学家就在研究电子-声子相互作用所带来的各种影响,但侧重点主要集中于电子,而没有太关注这种相互作用是如何影响声子的。

“科学家很少研究这个相互作用对声子的影响,因为他们认为这个效应不重要,”廖浡霖说道,“但是牛顿第三定律告诉我们,每个力都有一个反作用力。只是我们不知道在什么情况下反作用力才会变得重要。”

中国科学家廖浡霖发现手机发烫元凶,研究成果或推进核电池发展

散射,散热难以两全

根据廖浡霖和同事先前的计算,当电子浓度超过每立方厘米1019个时,在硅(半导体材料最常用到的物质)中电子和声子的相互作用会对声子产生巨大的散射作用。当电子浓度到达每立方厘米1021个时,材料的散热能力将因声子的散射而降低50%。

“这是相当显著的效应,但很多人却对此存疑,”廖浡霖说道。

这主要是因为在之前用到高浓度电子材料的实验中,科学家们都假设散热能力的下降不是因为电子-声子相互作用,而是由于材料的缺陷造成的。

这些缺陷的存在是因为人们对材料进行了掺杂(doping),以硅为例,磷和硼是常用的掺杂原子,目的是为了增加材料的电子浓度。

因此,要验证廖浡霖的理论,就必须分离电子-声子相互作用和缺陷对散热能力造成的影响。具体的实施方法就是,提高材料中的电子浓度,但不能引入任何缺陷。

研究小组发展了一种称作“三脉冲声光波谱”(three-pulse photoacoustic spectroscopy)的技术,通过光学的方法精确地在硅晶体薄膜中增加电子的浓度,并测量材料中的对声子产生的任何影响。

这个技术是对传统的“二脉冲声光波谱”(two-pulse photoacoustic spectroscopy)的扩展,在传统的方法中,科学家们通过精确调控,对材料发生两束定时精准的激光。第一束激光在材料中产生声子脉冲,第二束则用来测量声子脉冲的散射或衰减。

廖浡霖引入了第三束激光,这样就能精确地增加硅材料中的电子浓度而不引入任何缺陷。在发射了第三束激光后,测量结果显示,声子脉冲衰减时间明显缩短,这表明了电子浓度的增加了声子的散射并抑制了它的活动。

实验结果显示,第三束激光的引入会造成声子脉冲衰减时间的缩短,激光的强度越大(电子的浓度越高),声子脉冲的衰减时间就越短。

实验结果显示,第三束激光的引入会造成声子脉冲衰减时间的缩短,激光的强度越大(电子的浓度越高),声子脉冲的衰减时间就越短。

这个结果让廖浡霖团队非常兴奋,因为这很好地吻合了他们之前的计算结果。

“我们现在可以确定效应确实非常明显,而且我们在实验中证实了它,”廖浡霖说道,“这是首个可以直接探测电子-声子相互作用对声子的影响的实验。”

有趣的是,每立方厘米1019个电子的浓度,比现有的一些晶体管还要低,换句话说,最新发现的这种现象,是部分现有的微电子发热发烫的元凶之一。

“根据我们的研究,随着电路的尺寸越来越小,这个效应将会越来越重要,”廖浡霖说道,“我们必须认真考虑这个效应,并且研究如何利用或避免它带来的影响。”

【文/DeepTech深科技(微信号:mit-tr)】

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2 Responses

  1. 科技日报社-中国科技网 《日本科学家发现一种低温热电材料》说道:

    日本科学家日前发现一种低温热电材料,该材料能在低温条件下显示出比铋系热电材料高出100倍以上的热电效应。实验表明,这种铁化合物的结晶尺寸越大,实际电热效应就越大。
    热电转换材料能够使电能与热能直接转换,可用于废热发电以及不使用氟利昂的冷冻装置。热电转换材料中以铋化合物较为常见,而超导材料等运行所需的极低温热电转换原器件尚未实际应用,需要设计出新的低温热电材料。

    为解决这一问题,东京大学、名古屋大学和大阪大学的科研人员进行了联合研究。他们发现了一种以铁为主要成分的化合物“FeSb2”,其在零下260摄氏度的低温环境下显示出比铋系热电材料高100倍以上的热电效应,这使得它成为备受期待的低温电热材料,有望为设计低温环境下热电转换原器件提供新思路。

    但是,科研人员对FeSb2为何展示出巨大的热电效应并不了解,因此无法设计出更高热电性能的元件。为此,他们合成了超高纯度的FeSb2单结晶,并使用5种不同尺寸单晶体进行了电阻率、塞贝克系数和热导率测定。结果发现,结晶尺寸增大,热导率和塞贝克系数也随之增大,在最大结晶尺寸情况下实现了高热导率。通过回旋共振试验,他们发现电子有效质量比自由电子的质量高出5倍。最后证实观察到的FeSb2巨大塞贝克系数和输出因子,是由在晶界散射的平均自由行程较长的声子与有效质量大的电子相互作用造成的。

    相关论文发表在近日出版的《自然·通讯》杂志上。

  2. 盘点:热电材料大牛及代表作说道:

    自热电兴起于江湖,英雄辈出!

    1、Mercouri G. Kanatzidis(美国西北大学)
      
      人物简介:希腊萨洛尼卡人也,一九五七年生,少受业于希腊萨洛尼卡大学,及长越洋求学于米国爱荷华大学,学成而立,入密歇根大学,辛勤耕耘,愈二十载,著作等身,名扬热电。及至知天命,迁西北大学化学系讲席教授。
      Mercouri G. Kanatzidis在热电领域造诣颇深,迄今已在Science、Nature等杂志上发表了1000余篇研究论文,被引用次数超过31000次,H因子为91。
     
    2、陈立东(中科院上海硅酸盐研究所)
      
      人物简介:1960年生,1981年毕业于湖南大学,1984年10月赴日本留学,1990年4月获日本东北大学获工学博士学位。先后在日本RIKEN株式会社(Chief Engineer)、日本航空宇宙技术研究所(特别研究员)、美国密西根大学物理系(访问学者)、日本东北大学金属材料研究所(助手,副教授)任职和工作。2001年获中国科学院海外杰出人才引进计划(百人计划)资助进入上海硅酸盐研究所工作,2003年获国家杰出青年基金资助,2004年获得上海市优秀留学回国人才奖和中国科学院百人计划终期评估优秀。现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任,国际热电学会理事会理事,亚洲热电联盟主席。
      至今已在Nature, Nature Mater., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等 SCI 收录期刊上发表论文300余篇,申请发明专利50余项,其中30余项获得授权。

    3、李敬峰(清华大学)
      
      人物简介:1980.9-1984.7,华中科技大学机械工程2系金属材料及热处理专业学士学位;1985.10-1991.3,日本东北大学工学部材料系,工学硕士(1988.3),工学博士(1991.3);1991.3-1992.2,日本陶瓷技术株式会社特别研究人员(博士后);1992.3-2002.9,日本东北大学工学部材料系助手(1992-1997)、副教授(1997-2002);2002.2开始,清华大学材料科学与工程系教授,博士生导师,系副主任;2013.1开始,清华大学材料学院教授,博士生导师,副院长。教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者。

    4、唐新峰(武汉理工大学)
      
      人物简介:1962年生;1979年09月~1983年07月,大连交通大学材料学专业(获学士学位);1985年09月~1988年05月,西南交通大学材料学专业(获硕士学位);1997年09月~2000年10月,日本东北大学材料物性学专业(获工学博士学位);2001年04月~2011年08月,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授;2011年09月~至今 武汉理工大学材料学科首席教授。

    5、赵新兵(浙江大学)
      
      人物简介:1982年7月本科毕业于浙江大学金属材料工程专业(工学学士),1985年7月浙江大学金属材料专业硕士研究生毕业(工学硕士)后留校任教,1986年2月考取本校金属材料专业在职博士研究生,1987年8月至1990年7月作为中德联合培养博士研究生在德国亚琛工大金属学与金属物理研究所学习。1990年12月获浙江大学工学博士学位。1992年晋升副教授,1995年晋升教授,1996年起任博士生导师。
      1993年起任浙江大学材料科学与工程学系副系主任,1999年起任浙江大学材料与化学工程学院副院长兼材料系系主任。现兼任:中国材料研究学会理事、中国稀土学会理事兼稀土新材料专业委员会副主任、中国机械工程学会材料分会常务理事、教育部金属材料与冶金专业教育指导委员会委员、《材料科学与工程学报》主编。
      
    6、赵立东(北京航空航天大学)
      
      人物简介:1979年生于哈尔滨,中组部第六批“青年千人计划”入选者, 现为北京航空航天大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。主要从事热电能源材料、超导材料和低热传导氧化物材料的研究。2001年获得辽宁工程技术大学金属材料及热处理专业学士学位,2005年获得辽宁工程技术大学材料学硕士学位,2009年获得北京科技大学材料学博士学位。2009年2月至2011年2月,法国巴黎十一大学物理系博士后。2011年2月2014年9月,美国西北大学化学系博士后。2014年9月入职“北航卓越百人计划”。
      迄今已在Nature, Nature Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Mater.等期刊上发表SCI论文80余篇, 被引用2000多次。授权和申请美国专利3项,中国专利8项。目前担任学术期刊Materials Science in Semiconductor Processing 和Progress in Natural Science: Materials International编委。
     
    7、裴艳中(同济大学)
      
      人物简介:教授,博导,入选“国家青年千人计划”。1981年出生,2003年本科毕业于中南大学,2008年博士毕业于中科院上海硅酸盐研究所,随后在美国加州理工学院及密西根州立大学访学约5年,2012年底加入同济大学材料学院。

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