中國科學(xué)家發(fā)現手機發(fā)燙的元兇 核電池發(fā)展有望

　　對于熟悉芯片的人來(lái)說(shuō)，高性能通常伴生這高發(fā)熱，隨著(zhù)我們對電子產(chǎn)品的依賴(lài)程度日益增加，手機、平板、筆記本電腦等的發(fā)熱問(wèn)題，不僅對使用體驗造成負面影響，同時(shí)還阻礙著(zhù)生產(chǎn)商設計出更加美觀(guān)、輕便的新產(chǎn)品。

　　這個(gè)答案可能就藏在廖浡霖博士最新發(fā)表的論文中。這位前四川省高考狀元師從陳剛教授，今年從麻省理工學(xué)院獲得了博士學(xué)位。

　　他所在的研究團隊精確測量了電子與聲子的相互作用，所得成果不僅解釋了微電子設備的發(fā)熱原因，同時(shí)還能用以進(jìn)一步提高熱電材料的性能。

　　隨著(zhù)半導體芯片的發(fā)展，越來(lái)越多的晶體管被塞入了越來(lái)越小的空間中。麻省理工學(xué)院的工程師最新發(fā)現，手機、筆記本電腦等其他電子設備會(huì )發(fā)燙，主要原因在于電子和攜帶熱能的聲子相互作用。

　　這樣的相互作用曾一度被科學(xué)家們忽略，然而最新的研究結果顯示，在微電子設備中，這種相互作用對散熱起到了重大的影響，相關(guān)的研究結果發(fā)表在了10月12日的《Nature Communication》上。

　　在實(shí)驗中，研究小組使用精確定時(shí)的激光脈沖在一片超薄硅薄膜中測量了電子和聲子的相互作用。測量結果顯示：隨著(zhù)薄膜中電子濃度增加，會(huì )有更多聲子因被電子散射而導致散熱困難。

　　麻省理工學(xué)院(MIT)畢業(yè)的廖浡霖博士是這篇論文的第一作者，他說(shuō)道：“電腦運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量，你肯定希望這些熱量快速散掉(被聲子帶走)。但是，如果聲子被電子散射，它們的散熱效果就會(huì )變差。隨著(zhù)芯片越造越小，這個(gè)問(wèn)題必須得到解決?！?/p>

　　但凡事既有一弊，必有一利，同樣的現象對熱電發(fā)電卻會(huì )帶來(lái)好處。熱電材料可以直接將熱能轉化為電能，被散射掉的聲子越多，意味著(zhù)越少的熱量流失，因此會(huì )大大提高熱電裝置的效率和性能。

　　熱電材料具有非常廣闊的應用范圍，其中包括了熱量探測儀和NASA最新提出用于太空探測設備的核電池。

　　聲子被電子散射的現象并不是什么新發(fā)現，但是長(cháng)期以來(lái)一直被科學(xué)家們忽略，隨著(zhù)半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，電子的濃度變得越來(lái)越高，這種現象變得不可忽視。

　　科學(xué)家們必須思考如何更操控電子-聲子相互作用，這樣才能一方面增加熱電裝置的效率，而另一方面防止微電子設備發(fā)燙。

　　這篇論文其他作者都來(lái)自MIT，其中包括了廖浡霖的博導，MIT機械工程系主任陳剛教授。

　　聲子和電子的碰碰車(chē)游戲

　　無(wú)論是在晶體管(半導體材料，如硅)還是導線(xiàn)(導體材料，如銅)中，電子都是電流運動(dòng)的主要媒介。電阻之所以會(huì )存在，主要原因是電子流動(dòng)時(shí)會(huì )遇到路障——攜帶熱能的聲子會(huì )與電子碰撞，將其彈出電流的路徑外。

　　很久以來(lái)，科學(xué)家就在研究電子-聲子相互作用所帶來(lái)的各種影響，但側重點(diǎn)主要集中于電子，而沒(méi)有太關(guān)注這種相互作用是如何影響聲子的。

　　“科學(xué)家很少研究這個(gè)相互作用對聲子的影響，因為他們認為這個(gè)效應不重要，”廖浡霖說(shuō)道，“但是牛頓第三定律告訴我們，每個(gè)力都有一個(gè)反作用力。只是我們不知道在什么情況下反作用力才會(huì )變得重要?！?/p>

　　散射，散熱難以?xún)扇?/p>

　　根據廖浡霖和同事先前的計算，當電子濃度超過(guò)每立方厘米1019個(gè)時(shí)，在硅(半導體材料最常用到的物質(zhì))中電子和聲子的相互作用會(huì )對聲子產(chǎn)生巨大的散射作用。當電子濃度到達每立方厘米1021個(gè)時(shí)，材料的散熱能力將因聲子的散射而降低50%。

　　“這是相當顯著(zhù)的效應，但很多人卻對此存疑，”廖浡霖說(shuō)道。

　　這主要是因為在之前用到高濃度電子材料的實(shí)驗中，科學(xué)家們都假設散熱能力的下降不是因為電子-聲子相互作用，而是由于材料的缺陷造成的。

　　這些缺陷的存在是因為人們對材料進(jìn)行了摻雜(doping)，以硅為例，磷和硼是常用的摻雜原子，目的是為了增加材料的電子濃度。

　　因此，要驗證廖浡霖的理論，就必須分離電子-聲子相互作用和缺陷對散熱能力造成的影響。具體的實(shí)施方法就是，提高材料中的電子濃度，但不能引入任何缺陷。

　　研究小組發(fā)展了一種稱(chēng)作“三脈沖聲光波譜”(three-pulse photoacoustic spectroscopy)的技術(shù)，通過(guò)光學(xué)的方法精確地在硅晶體薄膜中增加電子的濃度，并測量材料中的對聲子產(chǎn)生的任何影響。

　　這個(gè)技術(shù)是對傳統的“二脈沖聲光波譜”(two-pulse photoacoustic spectroscopy)的擴展，在傳統的方法中，科學(xué)家們通過(guò)精確調控，對材料發(fā)生兩束定時(shí)精準的激光。第一束激光在材料中產(chǎn)生聲子脈沖，第二束則用來(lái)測量聲子脈沖的散射或衰減。

　　廖浡霖引入了第三束激光，這樣就能精確地增加硅材料中的電子濃度而不引入任何缺陷。在發(fā)射了第三束激光后，測量結果顯示，聲子脈沖衰減時(shí)間明顯縮短，這表明了電子濃度的增加了聲子的散射并抑制了它的活動(dòng)。

　　實(shí)驗結果顯示，第三束激光的引入會(huì )造成聲子脈沖衰減時(shí)間的縮短，激光的強度越大(電子的濃度越高)，聲子脈沖的衰減時(shí)間就越短。

　　這個(gè)結果讓廖浡霖團隊非常興奮，因為這很好地吻合了他們之前的計算結果。

　　“我們現在可以確定效應確實(shí)非常明顯，而且我們在實(shí)驗中證實(shí)了它，”廖浡霖說(shuō)道，“這是首個(gè)可以直接探測電子-聲子相互作用對聲子的影響的實(shí)驗?！?/p>

　　有趣的是，每立方厘米1019個(gè)電子的濃度，比現有的一些晶體管還要低，換句話(huà)說(shuō)，最新發(fā)現的這種現象，是部分現有的微電子發(fā)熱發(fā)燙的元兇之一。

　　“根據我們的研究，隨著(zhù)電路的尺寸越來(lái)越小，這個(gè)效應將會(huì )越來(lái)越重要，”廖浡霖說(shuō)道，“我們必須認真考慮這個(gè)效應，并且研究如何利用或避免它帶來(lái)的影響?！?/p>