东京大学科学家宣布了一种不需要移动部件的电冷却新方法，通过对半导体砷化铝镓制成的量子阱施加偏压，可以使电子在称为“蒸发冷却”的过程中散发一些热量。可以使用传统半导体制造方法将基于该原理的设备添加到电子电路板，以帮助智能手机和膝上型计算机避免由高温引起的性能问题。随着智能手机、平板电脑和笔记本电脑变得更小、更强大，过热的可能性变得越来越紧迫。当前可用的风扇噪音大，并且有可能发生故障的移动部件。
现在，东京大学工业科学研究所的科学家们推出了一种新的固态解决方案，这种解决方案由半导体制成，可以很容易地直接制造到智能手机或笔记本电脑中。现代便携式设备促成了当前的信息革命，然而，这种小型化伴随着来自产生余热的固有挑战，新系统允许使用标准的半导体制造工艺进行芯片上冷却。量子阱是一种纳米级的结构，小到足以捕获电子。在这项研究中使用的量子阱类型称为非对称双势垒异质结。
在这些装置中，非常窄的砷化镓井被砷化铝层隔开。当施加的偏置电压等于阱内量子能级的能量时，电子可以利用共振隧穿轻松地通过势垒。然而，只有具有高动能的电子才能继续通过第二个势垒。由于“较热”的快速移动电子逃逸，而“较冷”的慢电子被捕获，设备变得更冷。这种“蒸发冷却”类似于当你走出游泳池时让你感到寒冷的过程。具有最多热能的水分子首先蒸发，带走热量。现在已经在环境条件下实现了高达50摄氏度的电子冷却。
这些结果使量子阱设备有望在智能设备中进行全面的热管理。未来的智能手机可能会配备内部电路板，里面装满了更多元件，只要它们也有一些这样的冷却量子阱，其研究成果现在发表在《自然通讯》期刊上。高速、密集封装的电子/光子器件的快速发展给，社会带来了前所未有的好处。然而，这种技术趋势反过来导致散热的巨大增加，这降低了设备的性能和寿命。
从此以后，科学和技术的挑战就在于这种高性能设备的有效冷却。该研究在不对称AlGaAs/GaAs(AlGaAs/GaAs)双势垒异质结中的蒸发电子冷却。量子阱(QW)和电极中的电子温度Te由光致发光测量确定。在300?K时，随着偏置电压增加到最大共振隧穿条件，量子阱中的电子温度Te逐渐降低到250?K，而电极中的电子温度Te保持不变。这种行为用蒸发冷却过程来解释，并用量子输运理论定量描述。
博科园｜研究/来自：东京大学
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-019-12488-9
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