中國科學家發現手機發燙的元兇，研究成果或推進核電池的發展

編者按：上世紀70年代，一個叫做戈登·摩爾的人憑著自己對於半導體行業的感覺提出了預測，每18個月就能將晶元的性能提高一倍。這個預測在過去的40年中一路證明了自己的正確，而晶元中晶體管的密度也跟著翻倍，翻倍，再翻倍。

對於熟悉晶元的人來說，高性能通常伴生這高發熱，隨著我們對電子產品的依賴程度日益增加，手機、平板、筆記本電腦等的發熱問題，不僅對使用體驗造成負面影響，同時還阻礙著生產商設計出更加美觀、輕便的新產品。

要解決電子產品，尤其是微電子器件的發熱問題，首先要理解這些熱量產生的根本原因。而這個答案可能就藏在廖浡霖博士最新發表的論文中。這位前四川省高考狀元師從陳剛教授，今年從麻省理工學院獲得了博士學位。

他所在的研究團隊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備的發熱原因，同時還能用以進一步提高熱電材料的性能。

隨著半導體晶元的發展，越來越多的晶體管被塞入了越來越小的空間中。麻省理工學院的工程師最新發現，手機、筆記本電腦等其他電子設備會發燙，主要原因在於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家們忽略，然而最新的研究結果顯示，在微電子設備中，這種相互作用對散熱起到了重大的影響，相關的研究結果發表在了10月12日的《Nature Communication》上。

在實驗中，研究小組使用精確定時的激光脈衝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致散熱困難。

麻省理工學院（MIT）畢業的廖浡霖博士是這篇論文的第一作者，他說道：「電腦運行時會產生熱量，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。隨著晶元越造越小，這個問題必須得到解決。」

但凡事既有一弊，必有一利，同樣的現象對熱電發電卻會帶來好處。熱電材料可以直接將熱能轉化為電能，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用範圍，其中包括了熱量探測儀和NASA最新提出用於太空探測設備的核電池。

聲子被電子散射的現象並不是什麼新發現，但是長期以來一直被科學家們忽略，隨著半導體技術的不斷發展，電子的濃度變得越來越高，這種現象變得不可忽視。

科學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備發燙。

這篇論文其他作者都來自MIT，其中包括了廖浡霖的博導，MIT機械工程系主任陳剛教授。

聲子和電子的碰碰車遊戲

無論是在晶體管（半導體材料，如硅）還是導線（導體材料，如銅）中，電子都是電流運動的主要媒介。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，科學家就在研究電子-聲子相互作用所帶來的各種影響，但側重點主要集中於電子，而沒有太關注這種相互作用是如何影響聲子的。

「科學家很少研究這個相互作用對聲子的影響，因為他們認為這個效應不重要，」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麼情況下反作用力才會變得重要。」

散射，散熱難以兩全

根據廖浡霖和同事先前的計算，當電子濃度超過每立方厘米10的19次方個時，在硅（半導體材料最常用到的物質）中電子和聲子的相互作用會對聲子產生巨大的散射作用。當電子濃度到達每立方厘米10的21次方個時，材料的散熱能力將因聲子的散射而降低50%。

「這是相當顯著的效應，但很多人卻對此存疑，」廖浡霖說道。

這主要是因為在之前用到高濃度電子材料的實驗中，科學家們都假設散熱能力的下降不是因為電子-聲子相互作用，而是由於材料的缺陷造成的。

這些缺陷的存在是因為人們對材料進行了摻雜（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。

研究小組發展了一種稱作「三脈衝聲光波譜」（three-pulse photoacoustic spectroscopy）的技術，通過光學的方法精確地在硅晶體薄膜中增加電子的濃度，並測量材料中的對聲子產生的任何影響。

這個技術是對傳統的「二脈衝聲光波譜」（two-pulse photoacoustic spectroscopy）的擴展，在傳統的方法中，科學家們通過精確調控，對材料發生兩束定時精準的激光。第一束激光在材料中產生聲子脈衝，第二束則用來測量聲子脈衝的散射或衰減。

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。在發射了第三束激光後，測量結果顯示，聲子脈衝衰減時間明顯縮短，這表明了電子濃度的增加了聲子的散射並抑制了它的活動。

實驗結果顯示，第三束激光的引入會造成聲子脈衝衰減時間的縮短，激光的強度越大（電子的濃度越高），聲子脈衝的衰減時間就越短。

這個結果讓廖浡霖團隊非常興奮，因為這很好地吻合了他們之前的計算結果。

「我們現在可以確定效應確實非常明顯，而且我們在實驗中證實了它，」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驗。」

有趣的是，每立方厘米10的19次方個電子的濃度，比現有的一些晶體管還要低，換句話說，最新發現的這種現象，是部分現有的微電子發熱發燙的元兇之一。

「根據我們的研究，隨著電路的尺寸越來越小，這個效應將會越來越重要，」廖浡霖說道，「我們必須認真考慮這個效應，並且研究如何利用或避免它帶來的影響。」

編輯：嚴寒

參考：

B. Liao, et al, Photo-excited charge carriers suppress sub-terahertz phonon mode in silicon at room temperature, Nature Communications 2016, doi:10.1038/ncomms13174.

Electron-phonon interactions affect heat dissipation in computer chips