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Science+1!陈祖煌教授团队突破热开关技术瓶颈
发布时间:2023-12-22 09:22:11 1665

哈工大全媒体(梁英爽 丁波皓 司洋洋 黎意杰 文/图)你能想象热流的传递可以像电流一样导通和断开吗?冬冷夏热,我们如何保证手机和新能源汽车等设备维持最佳工作温度呢?

近日,哈工大深圳校区陈祖煌教授与南京师范大学刘晨晗副教授、东南大学陈云飞教授合作,在铁电/反铁电薄膜热开关领域取得重要进展,提出通过调控反铁电材料原胞内原子数实现热导率大幅、可逆调控的新思路。研究成果以《低压驱动高性能反铁电锆酸铅薄膜热开关》(Low voltage-driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films)为题发表在《科学》(Science)上。高效热开关材料与技术在解决器件散热、维持温度稳定和提高能源利用率方面具有重要意义,该研究在消费电子和新能源汽车等领域具有广泛应用前景。

热导率的可逆调控可动态调节热路中热流的大小,是高效的热管理技术,有助于提高器件使用效率和稳定性。然而,不同于电子输运,如何实现对声子热输运的有效调控一直是尚未解决的难题。目前,通过掺杂、应变和变温来调控材料的导热系数等传统方法难以同时满足高开关比、多次可逆和快速调控等要求,极大限制了热开关材料在微电子器件中的应用。

针对该难题,研究团队提出运用反铁电材料电场诱导反铁电-铁电可逆相变特性实现热开关功能,并结合厚度和取向调控,开发出基于反铁电锆酸铅薄膜的低压驱动(小于10伏特)、长寿命(大于1000万次)、大开关比(大于2.2)和超快响应(小于150纳秒)的高效热开关原型器件,并揭示了电场驱动的反铁电-铁电相变可调控原胞大小,从而实现热导率大幅可逆调控的内在机理。此外,该热开关功能的实现仅需打开或关闭外部电场,无需移动部件,有助于将其与其他系统集成。该发现突破了传统热开关器件存在开关比小、响应速度慢和循环次数低的技术瓶颈,有望推动对(反)铁电体中声子热输运的理解,为实现热传导主动控制提供高效策略。

刘晨晗副教授、哈工大深圳校区博士研究生司洋洋、东南大学博士研究生张华为论文第一作者。陈祖煌教授、陈云飞教授为论文通讯作者。哈工大深圳校区为论文第一通讯单位。哈工大深圳校区林熹教授、刘兴军教授参与相关工作。

该研究获国家自然科学基金和哈工大原创前沿探索基金等项目资助。

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反铁电热开关原理图

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反铁电热开关性能表征

(a)三种取向的锆酸铅薄膜热导率随电压关系

(b)铁电相的热导率信号拟合

(c)热开关的循环稳定性测试

(d)不同取向热开关的开关比

(e)热开关响应时间测试

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铁电/反铁电热开关比比较图


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