美国东北大学郑义APL：利用不同相变材料的非对称近场辐射热晶体管柔性调谐

这项研究近期在《Applied Physics Letter》期刊发表，并被选作专题文章（Featured Article），题目为“Flexible Tuning of Asymmetric Near-field Radiative Thermal Transistor by Utilizing Distinct Phase Change Materials”。作者为美国东北大学郑义教授及其纳米能源课题组博士生张贺翔等人。

相变材料（PCMs）由于其可逆相变而极大地改变了其热学和光学性质，在先进热器件的发展中起着关键作用。在本研究中，我们提出了一种有效的动态热晶体管，采用非对称设计，采用不同的PCM，二氧化钒（VO₂）和碲化锗锑（GST），在栅极终端的两侧，这是近场热晶体管控制单元的中心。这种不对称引入了独特的热调制能力，在近场状态下控制热辐射。VO2从绝缘态转变为金属态，而GST在非晶（aGST）和结晶（cGST）相之间进行可逆切换，每一种相变都引起热输运性质的实质性变化。通过策略性地结合这些材料，晶体管显示出增强的功能，通过调节栅极温度在吸收和释放热量的状态之间动态切换。这种门终端不仅可以实现主动和有效的热管理，而且还为控制辐射热电路中的热流提供了有效的机会。我们的研究结果突出了这种非对称结构热晶体管在推进微电子、高速数据处理和可持续能源系统应用方面的潜力，在这些应用中，精确和响应性热控制对性能和效率至关重要。

文章链接： https://doi.org/10.1063/5.0256162

引用格式：Hexiang Zhang, Xuguang Zhang, Fangqi Chen, Mauro Antezza, Yi Zheng; Flexible tuning of asymmetric near-field radiative thermal transistor by utilizing distinct phase-change materials. Appl. Phys. Lett. 3 March 2025; 126 (9): 092202.

研究内容

图1所示。热晶体管可以看作是两个在相反方向上组合的热二极管。对于没有栅极的初始近场结构，间隙长度为L=100nm。图1(a)显示了热晶体管的近场结构，从左到右有三个区域，源、栅极和漏极。BN（蓝色）和Au（黄色）位于源区和漏区。栅极区域覆盖着VO2（红色）和GST（棕色）。深蓝色是承印物的代表色。d为栅极到对侧间隙距离的长度，为l初始长度的一半。所有光栅和薄膜结构的厚度分别为t1=0.5μm和t2=1μm。一维光栅结构的光栅周期（Λ）为50nm，填充比（ϕ）为0.3。图1(b)展示了利用PCMs的另外三种非对称栅极设计方案，突出了四种不同的非对称栅极配置。

图2给出了GST和VO2不同状态下的n和κ值。图中VO2 in和VO2 m分别代表绝缘状态和金属状态。

图3为具有两个界面的1-D矩形热二极管穿过时的能量传输系数ξ(ω,kρ)等值线图。分析热二极管的工作机理可以帮助我们了解热器件的延伸——热晶体管。Ghanekar等人给出了含Au的VO2光栅的能量传输系数kρc/ω为归一化平行波向量。在100nm间隙处，通过界面的能量传输系数是由表面声子极性和材料性质的相互作用决定的。由于aGST支持表面声子模式的能力，在与其特征声子波长相对应的特定频率范围内主导能量传输。这些模式有助于表面波的有效隧穿，特别是当相反的界面在这些频率下显示出高消光系数时。然而，cGST具有明显不同的光学响应，其中非晶和cGST之间声子频率的不匹配抑制了谐振隧穿。cGST与aGST在相同红外区域支持表面声子极化子的方式不同，其消光系数分布往往限制了能量的传输。当界面涉及cGST时，这种不匹配导致整体能量传输降低。同样，由于其金属绝缘体相变，VO2也起着关键作用。在其金属相中，VO2表现出高消光系数，并且在红外区域不支持表面声子极化。因此，GST与金属VO2之间的隧穿主要是由GST的表面模式驱动的。当与金属VO₂耦合时，aGST的对称和非对称表面声子主导了传输，因为它允许在界面上进行强隧穿。在VO2的绝缘阶段，支持表面声子模式，但其光谱范围通常与GST的光谱范围不重叠。例如，aGST的表面声子通常发生在绝缘VO₂具有低消光系数的范围内，从而限制了共振能量传递。这种不匹配进一步抑制了GST和绝缘VO2之间的隧穿，导致能量传输减少。当一维矩形光栅取代大块VO2时，会产生额外的抑制，特别是在涉及绝缘VO2的配置中。光栅干扰了受挫模式和法布里-珀罗共振的传播，进一步降低了隧穿效率。然而，由于金属VO2支持更广泛的相互作用模式，aGST与金属VO2之间的隧道效应相对不受影响。

其中每个图的单位是相同的，例如图(g)，垂直和水平坐标分别表示kρc/ω和频率。正确的规则是表示能量传递系数。(a)覆盖在VO2薄膜上的aGST和(b) cGST光栅。覆盖在(c) VO2绝缘态和(e)金属态薄膜上的aGST光栅。VO2(d)绝缘状态和(f)覆盖在aGST薄膜上的金属状态。(g)覆盖在VO2金属态薄膜上的cGST光栅。(h)覆盖在cGST薄膜上的VO2金属态光栅。

图4所示。根据图1(a)，我们计算出在不加栅极的情况下，从源到漏的初始热流密度为Qinitial=836.854W/m2。在源极和漏极之间增加栅极后，通过调节栅极的温度，可以将漏极的传热通量提高近10倍。放大系数的具体变化情况如图4所示。我们将放大因子定义为α=QD/Qinitial，其中QG是热晶体管中从栅极到漏极的能量转移。将栅极温度从340K调至465K，放大系数逐渐增大。栅极（Ⅰ，Ⅲ）上VO2光栅表面对漏极的放大系数明显高于GST光栅表面（Ⅱ，Ⅳ），薄膜上覆盖的光栅结构对放大系数影响不大。

图5显示了在四种不同结构的栅极温度调整时，通过源（QS）、栅极（QG）和漏极（QD）的热流密度。由于系统的稳态运行，QG=QS-QD保持关系。通过对4个非对称近场热晶体管放大因子（α）的曲线和变化分析，可以发现栅极上面向漏极的光栅表面对放大因子的决定起着关键作用，对热晶体管内部的传热行为有显著影响，如图4所示。值得注意的是，当QG=0时，出现了一个独特的情况。在这种情况下，源区和栅极区有效地表现为一个统一的增强放大近场热器件。这种现象是由于PCMs的热特性发生变化，使系统达到没有热流通过栅极的状态。QG的缺失改变了热晶体管的结构，强调了源极和漏极之间的耦合，并实现了高效的近场传热。图片分别对应不同的结构(a)Ⅰ。(b)Ⅱ。Ⅲ(c)。(d)Ⅳ，如图1所示。

总结

基于采用不同的PCMs在栅极上构建不同表面的结果，很明显，当调整栅极温度时，会导致放大因子的显着增强值得注意的是，与GST光栅表面相比，栅极上面向漏极的VO2光栅表面的放大因子的增加幅度更大。此外，覆盖薄膜的光栅结构对放大系数的影响似乎可以忽略不计。在QG=0的条件下（即QS=QD），源区和门区可以作为一个统一的增强放大近场热器件，可以简化为一个热二极管。这一现象表明，多种相变材料的组合可以显著提高实现这种状态的可能性。不同的相变材料具有不同的相变温度和不同的热学和光学性质，可以协同工作，微调热通量分布。例如，定制VO₂和GST的排列，或其他具有互补特性的相变材料，可能会进一步优化传热途径，并实现热放大的高级控制。在这种情况下，它可以对栅极终端进行调整，使其达到栅极与外界环境之间没有热交换的状态。这种状态可以作为热管理的关键设计参数，使门端根据操作要求充当无源隔热或有源调制器。通过战略性地结合这些材料，晶体管通过栅极温度调节在热吸收和释放之间动态切换来增强其功能，从而为高响应热管理系统开辟了另一条途径。此外，这种方法可以为多功能热器件的发展铺平道路，其中对QG的精确控制使电子和能源系统中的热逻辑门，热存储器件和自适应热屏蔽等应用成为可能。我们还可以利用QG变化的性质来控制供热或放热。这一发现为设计和建造具有特定要求的热网路提供了额外的选择。