Es wurde ein effektiver, stabiler elektrochemischer Festkörpertransistor entwickelt, der eine neue Ära in der Wärmemanagementtechnologie einläutet.
In der modernen Elektronik wird während des Gebrauchs eine große Menge Wärme als Abfall produziert – deshalb werden Geräte wie Laptops und Mobiltelefone während des Gebrauchs warm und erfordern Kühllösungen. In den letzten zehn Jahren wurde das Konzept getestet, diese Wärme mit Strom zu verwalten, was zur Entwicklung von elektrochemischen Thermotransistoren führte – Geräten, die zur Steuerung des Wärmeflusses mit elektrischen Signalen verwendet werden können. Gegenwärtig werden Flüssigzustands-Thermotransistoren verwendet, die jedoch kritische Einschränkungen aufweisen: Hauptsächlich führt jedes Leck dazu, dass das Gerät nicht mehr funktioniert.
Ein Forschungsteam der Hokkaido University unter der Leitung von Professor Hiromichi Ohta vom Research Institute for Electronic Science hat den ersten elektrochemischen Festkörper-Thermotransistor entwickelt. Ihre Erfindung, beschrieben in der Zeitschrift Fortschrittliche Funktionsmaterialienist viel stabiler als und genauso effektiv wie aktuelle thermische Transistoren im flüssigen Zustand.
„Ein Thermotransistor besteht grob gesagt aus zwei Materialien, dem Aktivmaterial und dem Schaltmaterial“, erklärt Ohta. „Das aktive Material hat eine veränderbare Wärmeleitfähigkeit, und das Schaltmaterial wird verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit des aktiven Materials zu steuern.“
Das Team baute seinen thermischen Transistor auf einer Yttriumoxid-stabilisierten Zirkoniumoxid-Basis auf, die auch als Schaltmaterial fungierte, und verwendete Strontium-Kobalt-Oxid als aktives Material. Platinelektroden wurden verwendet, um die zur Steuerung des Transistors erforderliche Leistung zu liefern.
Die Wärmeleitfähigkeit des aktiven Materials im „Ein“-Zustand war vergleichbar mit einigen thermischen Transistoren im flüssigen Zustand. Im Allgemeinen war die Wärmeleitfähigkeit des aktiven Materials im „Ein“-Zustand viermal höher als im „Aus“-Zustand. Außerdem war der Transistor über 10 Verwendungszyklen stabil, besser als einige aktuelle thermische Transistoren im flüssigen Zustand. Dieses Verhalten wurde an mehr als 20 separat hergestellten Thermotransistoren getestet, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse reproduzierbar waren. Einziges Manko war die Betriebstemperatur von rund 300°C.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass elektrochemische Festkörper-Thermotransistoren das Potenzial haben, genauso effektiv zu sein wie elektrochemische Flüssigkörper-Thermotransistoren, ohne deren Einschränkungen“, schließt Ohta. „Die Haupthürde für die Entwicklung praktischer Thermotransistoren ist der hohe Widerstand des Schaltmaterials und damit eine hohe Betriebstemperatur. Dies wird der Schwerpunkt unserer zukünftigen Forschung sein.“