上世紀(jì)70年代，一個叫做戈登·摩爾的人憑著自己對于半導(dǎo)體行業(yè)的感覺提出了預(yù)測，每18個月就能將芯片的性能提高一倍。這個預(yù)測在過去的40年中一路證明了自己的正確，而芯片中晶體管的密度也跟著翻倍，翻倍，再翻倍。
對于熟悉芯片的人來說，高性能通常伴生這高發(fā)熱，隨著我們對電子產(chǎn)品的依賴程度日益增加，手機(jī)、平板、筆記本電腦等的發(fā)熱問題，不僅對使用體驗(yàn)造成負(fù)面影響，同時還阻礙著生產(chǎn)商設(shè)計(jì)出更加美觀、輕便的新產(chǎn)品。
要解決電子產(chǎn)品，尤其是微電子器件的發(fā)熱問題，首先要理解這些熱量產(chǎn)生的根本原因。而這個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(tuán)隊(duì)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(shè)備的發(fā)熱原因，同時還能用以進(jìn)一步提高熱電材料的性能。
隨著半導(dǎo)體芯片的發(fā)展，越來越多的晶體管被塞入了越來越小的空間中。麻省理工學(xué)院的工程師最新發(fā)現(xiàn)，手機(jī)、筆記本電腦等其他電子設(shè)備會發(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(jié)果顯示，在微電子設(shè)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(jié)果發(fā)表在了10月12日的《Nature Communication》上。
在實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用精確定時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(jié)果顯示：隨著薄膜中電子濃度增加，會有更多聲子因被電子散射而導(dǎo)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，他說道：“電腦運(yùn)行時會產(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變差。隨著芯片越造越小，這個問題必須得到解決。”
但凡事既有一弊，必有一利，同樣的現(xiàn)象對熱電發(fā)電卻會帶來好處。熱電材料可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，被散射掉的聲子越多，意味著越少的熱量流失，因此會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(yīng)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(shè)備的核電池。
聲子被電子散射的現(xiàn)象并不是什么新發(fā)現(xiàn)，但是長期以來一直被科學(xué)家們忽略，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，電子的濃度變得越來越高，這種現(xiàn)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(shè)備發(fā)燙。
這篇論文其他作者都來自MIT，其中包括了廖浡霖的博導(dǎo)，MIT機(jī)械工程系主任陳剛教授。
散射，散熱難以兩全
聲子和電子的碰碰車游戲
無論是在晶體管（半導(dǎo)體材料，如硅）還是導(dǎo)線（導(dǎo)體材料，如銅）中，電子都是電流運(yùn)動的主要媒介。電阻之所以會存在，主要原因是電子流動時會遇到路障——攜帶熱能的聲子會與電子碰撞，將其彈出電流的路徑外。
很久以來，科學(xué)家就在研究電子-聲子相互作用所帶來的各種影響，但側(cè)重點(diǎn)主要集中于電子，而沒有太關(guān)注這種相互作用是如何影響聲子的。
“科學(xué)家很少研究這個相互作用對聲子的影響，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這個效應(yīng)不重要，”廖浡霖說道，“但是牛頓第三定律告訴我們，每個力都有一個反作用力。只是我們不知道在什么情況下反作用力才會變得重要。”
散射，散熱難以兩全
根據(jù)廖浡霖和同事先前的計(jì)算，當(dāng)電子濃度超過每立方厘米1019個時，在硅（半導(dǎo)體材料最常用到的物質(zhì)）中電子和聲子的相互作用會對聲子產(chǎn)生巨大的散射作用。當(dāng)電子濃度到達(dá)每立方厘米1021個時，材料的散熱能力將因聲子的散射而降低50%。
“這是相當(dāng)顯著的效應(yīng)，但很多人卻對此存疑，”廖浡霖說道。
這主要是因?yàn)樵谥坝玫礁邼舛入娮硬牧系膶?shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們都假設(shè)散熱能力的下降不是因?yàn)殡娮?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?yàn)槿藗儗Σ牧线M(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(yàn)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)展了一種稱作“三脈沖聲光波譜”（three-pulse photoacoustic spectroscopy）的技術(shù)，通過光學(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。
這個技術(shù)是對傳統(tǒng)的“二脈沖聲光波譜”（two-pulse photoacoustic spectroscopy）的擴(kuò)展，在傳統(tǒng)的方法中，科學(xué)家們通過精確調(diào)控，對材料發(fā)生兩束定時精準(zhǔn)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(jié)果顯示，聲子脈沖衰減時間明顯縮短，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。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，第三束激光的引入會造成聲子脈沖衰減時間的縮短，激光的強(qiáng)度越大（電子的濃度越高），聲子脈沖的衰減時間就越短。
這個結(jié)果讓廖浡霖團(tuán)隊(duì)非常興奮，因?yàn)檫@很好地吻合了他們之前的計(jì)算結(jié)果。
“我們現(xiàn)在可以確定效應(yīng)確實(shí)非常明顯，而且我們在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了它，”廖浡霖說道，“這是首個可以直接探測電子-聲子相互作用對聲子的影響的實(shí)驗(yàn)。”
有趣的是，每立方厘米1019個電子的濃度，比現(xiàn)有的一些晶體管還要低，換句話說，最新發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象，是部分現(xiàn)有的微電子發(fā)熱發(fā)燙的元兇之一。
“根據(jù)我們的研究，隨著電路的尺寸越來越小，這個效應(yīng)將會越來越重要，”廖浡霖說道，“我們必須認(rèn)真考慮這個效應(yīng)，并且研究如何利用或避免它帶來的影響。”
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