上世紀(jì)70年代，一個(gè)叫做戈登·摩爾的人憑著自己對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的感覺(jué)提出了預(yù)測(cè)，每18個(gè)月就能將芯片的性能提高一倍。這個(gè)預(yù)測(cè)在過(guò)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(duì)于熟悉芯片的人來(lái)說(shuō)，高性能通常伴生這高發(fā)熱，隨著我們對(duì)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(wèn)題，不僅對(duì)使用體驗(yàn)造成負(fù)面影響，同時(shí)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(wèn)題，首先要理解這些熱量產(chǎn)生的根本原因。而這個(gè)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(cè)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(shí)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(lái)越多的晶體管被塞入了越來(lái)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(huì)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(duì)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(shí)的激光脈沖在一片超薄硅薄膜中測(cè)量了電子和聲子的相互作用。測(cè)量結(jié)果顯示：隨著薄膜中電子濃度增加，會(huì)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(shuō)道：“電腦運(yùn)行時(shí)會(huì)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(huì)變差。隨著芯片越造越小，這個(gè)問(wèn)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(duì)熱電發(fā)電卻會(huì)帶來(lái)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(huì)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(cè)儀和NASA最新提出用于太空探測(cè)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(zhǎng)期以來(lái)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(lái)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(lái)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。
聲子和電子的碰碰車游戲
無(wú)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(dòng)的主要媒介。電阻之所以會(huì)存在，主要原因是電子流動(dòng)時(shí)會(huì)遇到路障——攜帶熱能的聲子會(huì)與電子碰撞，將其彈出電流的路徑外。
很久以來(lái)，科學(xué)家就在研究電子-聲子相互作用所帶來(lái)的各種影響，但側(cè)重點(diǎn)主要集中于電子，而沒(méi)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(gè)相互作用對(duì)聲子的影響，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這個(gè)效應(yīng)不重要，”廖浡霖說(shuō)道，“但是牛頓第三定律告訴我們，每個(gè)力都有一個(gè)反作用力。只是我們不知道在什么情況下反作用力才會(huì)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(guò)每立方厘米1019個(gè)時(shí)，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(huì)對(duì)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(gè)時(shí)，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(duì)此存疑，”廖浡霖說(shuō)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?duì)材料進(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(duì)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(guò)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(cè)量材料中的對(duì)聲子產(chǎn)生的任何影響。
這個(gè)技術(shù)是對(duì)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(guò)精確調(diào)控，對(duì)材料發(fā)生兩束定時(shí)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(lái)測(cè)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(cè)量結(jié)果顯示，聲子脈沖衰減時(shí)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(dòng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，第三束激光的引入會(huì)造成聲子脈沖衰減時(shí)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(shí)間就越短。
這個(gè)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中證實(shí)了它，”廖浡霖說(shuō)道，“這是首個(gè)可以直接探測(cè)電子-聲子相互作用對(duì)聲子的影響的實(shí)驗(yàn)。”
有趣的是，每立方厘米1019個(gè)電子的濃度，比現(xiàn)有的一些晶體管還要低，換句話說(shuō)，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(lái)越小，這個(gè)效應(yīng)將會(huì)越來(lái)越重要，”廖浡霖說(shuō)道，“我們必須認(rèn)真考慮這個(gè)效應(yīng)，并且研究如何利用或避免它帶來(lái)的影響。”