電控固態(tài)開(kāi)關(guān)管理熱流：改進(jìn)的熱敏開(kāi)關(guān)以電氣方式控制熱流

許多工程師自然而然地專(zhuān)注于從他們的組件、電路板和系統中散熱。然而，在某些情況下，動(dòng)態(tài)管理熱流路徑、改變熱流路徑、引導熱流路徑并保持所需的設定點(diǎn)溫度是可取的，甚至是必要的。

這就是需要熱敏開(kāi)關(guān)的地方。此功能的應用包括熱快門(mén)、高級顯示器、紅外熱傳遞調節和增強的廢熱回收。

[請注意，此熱敏開(kāi)關(guān)不是熱控制電氣開(kāi)關(guān)，當達到溫度閾值或跳變點(diǎn)時(shí)，它會(huì )翻轉其電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)（如“石墨烯注入泡沫為熱管理提供動(dòng)態(tài)可調路徑”和“管理分布式電源以實(shí)現安全性和冗余”中所示.”)相反，它是一個(gè)電控開(kāi)關(guān)，可以阻止或允許熱能流動(dòng)。簡(jiǎn)而言之：這些熱敏開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉熱流。正如技術(shù)中經(jīng)常發(fā)生的那樣，我們對不同或互補的功能使用相同的名稱(chēng)。

“轉換”到 CeO₂ 薄膜

日本北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所的一個(gè)研究小組設計了一種使用氧化鈰 （CeO₂） 薄膜作為活性材料來(lái)實(shí)現熱開(kāi)關(guān)的新方法。它為現有材料提供了一種高效且可持續的替代品，其性能超過(guò)了以前的基準。

出于各種材料科學(xué)原因，他們專(zhuān)注于 CeO₂ 作為熱開(kāi)關(guān)活性材料的電化學(xué)還原/氧化。例如，CeO₂ 是一種豐富的材料，廣泛用于拋光粉、催化劑和防曬霜等實(shí)際應用。

其固態(tài)電化學(xué)熱開(kāi)關(guān)的結構在 0.5 mm 厚的釔穩定氧化鋯 （YSZ） 襯底上具有 103 nm 厚的 CeO₂ 外延膜，夾在鉑 （Pt） 薄膜之間。（如果您不熟悉 YSZ，它是一種廉價(jià)且廣泛使用的氧化物晶體襯底，用于薄膜的外延生長(cháng)。電化學(xué)還原/氧化處理在 280°C 的空氣中進(jìn)行。

當向頂部 Pt 電極施加負/正電壓時(shí)，CeO₂ 層會(huì )發(fā)生電化學(xué)還原/氧化。頂部的 Pt 電極也用作熱導率測量的傳感器（圖 1）。

圖1. 基于 CeO₂ 的固態(tài)電化學(xué)熱開(kāi)關(guān)的器件結構示意圖表明，當對頂部 Pt 電極施加負/正電壓時(shí)，會(huì )導致 CeO₂ 層發(fā)生電化學(xué)還原/氧化。頂部 Pt 電極也用作熱導率測量的傳感器。

將他們的 5 × 5 mm 器件放在 280°C 的加熱器上，并在頂部 Pt 電極注入驅動(dòng) ±10 μA 恒定電流的負/正電壓（圖 2）。這些處理是通過(guò)施加 1 × 10²¹/cm³ 的電子密度 （Q） 進(jìn)行的。

圖2. 這張照片顯示了在 280°C 空氣中工作的基于 CeO₂ 的熱敏開(kāi)關(guān)。該器件的表面積為 ~25 mm²，并施加 ±10 μA 的恒定電流進(jìn)行氧化（還原）。開(kāi)關(guān)測量和結果

測量這些陶瓷器件的熱和相關(guān)行為需要一系列先進(jìn)的儀器，特別是當他們想要評估宏觀(guān)熱性能和微觀(guān)晶體行為時(shí)。他們的測試包括使用高角度環(huán)形暗場(chǎng) （HAADF） 掃描透射電子顯微鏡 （STEM） 觀(guān)察來(lái)研究設備的面內和面外 X 射線(xiàn)衍射 （XRD） 圖譜，以及使用時(shí)域熱反射 （TDTR） 的熱流。

他們的器件實(shí)現了 5.8 的開(kāi)/關(guān)導熱比和 10.3 W/米開(kāi)爾文 （W/m·K） 的導熱系數 （κ） 切換寬度。最小狀態(tài)（關(guān)態(tài)）下的熱導率為 2.2 W/m·K，但在氧化態(tài)（導通狀態(tài)）下，熱導率顯著(zhù)上升至 12.5 W/m·K（圖 3）。

圖3. 還原型 CeO₂ 基熱敏開(kāi)關(guān)的熱穩定性是一個(gè)重要因素。（A） 還原的基于 CeO₂ 的熱開(kāi)關(guān)在 150°C 空氣中保持時(shí)面外 XRD 圖譜的變化。還原后（Q = -1.5 × 10^22 cm-3,0 小時(shí)），002 CeO_2-δ （δ ~ 0.24， b） 與 002 CeO₂ （a） 一起出現衍射峰。b 的峰值位置向較高的 q_z/2π 側移動(dòng)，峰值 b 隨著(zhù)時(shí)間的推移而變弱。另一方面，峰值 a 隨著(zhù)時(shí)間的推移而變得更強。190 小時(shí)后，峰值 b 消失。（c） CeO₂ （a） 和 CeO_2?δ （b） 的晶格參數 c 隨時(shí)間的變化。b 相的參數 c 隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸減小，而 a 相的參數 c 幾乎保持不變。（B） XRD 峰強度比 [I_b/（I_a + I_b）]，它反映了 b 相的體積分數。還顯示了在 100°C 空氣中的結果。在 150°C 時(shí)，強度比開(kāi)始時(shí)為 ~0.8，然后隨時(shí)間幾乎線(xiàn)性下降，190 小時(shí)后達到零。相比之下，強度比在 100°C 時(shí)幾乎是恒定的。

其他測試研究了開(kāi)關(guān)速度和弛豫時(shí)間，以及許多循環(huán)的性能。研究人員對循環(huán)結果感到特別自豪，因為性能指標在 100 次還原和氧化循環(huán)后保持一致，他們表示，這證明了卓越的耐用性和可靠性，可在實(shí)際應用中延長(cháng)使用。