電控固態(tài)開關(guān)管理熱流：改進(jìn)的熱敏開關(guān)以電氣方式控制熱流

許多工程師自然而然地專注于從他們的組件、電路板和系統(tǒng)中散熱。然而，在某些情況下，動(dòng)態(tài)管理熱流路徑、改變熱流路徑、引導(dǎo)熱流路徑并保持所需的設(shè)定點(diǎn)溫度是可取的，甚至是必要的。

這就是需要熱敏開關(guān)的地方。此功能的應(yīng)用包括熱快門、高級(jí)顯示器、紅外熱傳遞調(diào)節(jié)和增強(qiáng)的廢熱回收。

[請(qǐng)注意，此熱敏開關(guān)不是熱控制電氣開關(guān)，當(dāng)達(dá)到溫度閾值或跳變點(diǎn)時(shí)，它會(huì)翻轉(zhuǎn)其電流開關(guān)狀態(tài)（如“石墨烯注入泡沫為熱管理提供動(dòng)態(tài)可調(diào)路徑”和“管理分布式電源以實(shí)現(xiàn)安全性和冗余”中所示.”)相反，它是一個(gè)電控開關(guān)，可以阻止或允許熱能流動(dòng)。簡(jiǎn)而言之：這些熱敏開關(guān)打開和關(guān)閉熱流。正如技術(shù)中經(jīng)常發(fā)生的那樣，我們對(duì)不同或互補(bǔ)的功能使用相同的名稱。

“轉(zhuǎn)換”到 CeO₂ 薄膜

日本北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所的一個(gè)研究小組設(shè)計(jì)了一種使用氧化鈰 （CeO₂） 薄膜作為活性材料來實(shí)現(xiàn)熱開關(guān)的新方法。它為現(xiàn)有材料提供了一種高效且可持續(xù)的替代品，其性能超過了以前的基準(zhǔn)。

出于各種材料科學(xué)原因，他們專注于 CeO₂ 作為熱開關(guān)活性材料的電化學(xué)還原/氧化。例如，CeO₂ 是一種豐富的材料，廣泛用于拋光粉、催化劑和防曬霜等實(shí)際應(yīng)用。

其固態(tài)電化學(xué)熱開關(guān)的結(jié)構(gòu)在 0.5 mm 厚的釔穩(wěn)定氧化鋯 （YSZ） 襯底上具有 103 nm 厚的 CeO₂ 外延膜，夾在鉑 （Pt） 薄膜之間。（如果您不熟悉 YSZ，它是一種廉價(jià)且廣泛使用的氧化物晶體襯底，用于薄膜的外延生長(zhǎng)。電化學(xué)還原/氧化處理在 280°C 的空氣中進(jìn)行。

當(dāng)向頂部 Pt 電極施加負(fù)/正電壓時(shí)，CeO₂ 層會(huì)發(fā)生電化學(xué)還原/氧化。頂部的 Pt 電極也用作熱導(dǎo)率測(cè)量的傳感器（圖 1）。

圖1. 基于 CeO₂ 的固態(tài)電化學(xué)熱開關(guān)的器件結(jié)構(gòu)示意圖表明，當(dāng)對(duì)頂部 Pt 電極施加負(fù)/正電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 CeO₂ 層發(fā)生電化學(xué)還原/氧化。頂部 Pt 電極也用作熱導(dǎo)率測(cè)量的傳感器。

將他們的 5 × 5 mm 器件放在 280°C 的加熱器上，并在頂部 Pt 電極注入驅(qū)動(dòng) ±10 μA 恒定電流的負(fù)/正電壓（圖 2）。這些處理是通過施加 1 × 10²¹/cm³ 的電子密度 （Q） 進(jìn)行的。

圖2. 這張照片顯示了在 280°C 空氣中工作的基于 CeO₂ 的熱敏開關(guān)。該器件的表面積為 ~25 mm²，并施加 ±10 μA 的恒定電流進(jìn)行氧化（還原）。開關(guān)測(cè)量和結(jié)果

測(cè)量這些陶瓷器件的熱和相關(guān)行為需要一系列先進(jìn)的儀器，特別是當(dāng)他們想要評(píng)估宏觀熱性能和微觀晶體行為時(shí)。他們的測(cè)試包括使用高角度環(huán)形暗場(chǎng) （HAADF） 掃描透射電子顯微鏡 （STEM） 觀察來研究設(shè)備的面內(nèi)和面外 X 射線衍射 （XRD） 圖譜，以及使用時(shí)域熱反射 （TDTR） 的熱流。

他們的器件實(shí)現(xiàn)了 5.8 的開/關(guān)導(dǎo)熱比和 10.3 W/米開爾文 （W/m·K） 的導(dǎo)熱系數(shù) （κ） 切換寬度。最小狀態(tài)（關(guān)態(tài)）下的熱導(dǎo)率為 2.2 W/m·K，但在氧化態(tài)（導(dǎo)通狀態(tài)）下，熱導(dǎo)率顯著上升至 12.5 W/m·K（圖 3）。

圖3. 還原型 CeO₂ 基熱敏開關(guān)的熱穩(wěn)定性是一個(gè)重要因素。（A） 還原的基于 CeO₂ 的熱開關(guān)在 150°C 空氣中保持時(shí)面外 XRD 圖譜的變化。還原后（Q = -1.5 × 10^22 cm-3,0 小時(shí)），002 CeO_2-δ （δ ~ 0.24， b） 與 002 CeO₂ （a） 一起出現(xiàn)衍射峰。b 的峰值位置向較高的 q_z/2π 側(cè)移動(dòng)，峰值 b 隨著時(shí)間的推移而變?nèi)酢Ａ硪环矫妫逯?a 隨著時(shí)間的推移而變得更強(qiáng)。190 小時(shí)后，峰值 b 消失。（c） CeO₂ （a） 和 CeO_2?δ （b） 的晶格參數(shù) c 隨時(shí)間的變化。b 相的參數(shù) c 隨著時(shí)間的推移逐漸減小，而 a 相的參數(shù) c 幾乎保持不變。（B） XRD 峰強(qiáng)度比 [I_b/（I_a + I_b）]，它反映了 b 相的體積分?jǐn)?shù)。還顯示了在 100°C 空氣中的結(jié)果。在 150°C 時(shí)，強(qiáng)度比開始時(shí)為 ~0.8，然后隨時(shí)間幾乎線性下降，190 小時(shí)后達(dá)到零。相比之下，強(qiáng)度比在 100°C 時(shí)幾乎是恒定的。

其他測(cè)試研究了開關(guān)速度和弛豫時(shí)間，以及許多循環(huán)的性能。研究人員對(duì)循環(huán)結(jié)果感到特別自豪，因?yàn)樾阅苤笜?biāo)在 100 次還原和氧化循環(huán)后保持一致，他們表示，這證明了卓越的耐用性和可靠性，可在實(shí)際應(yīng)用中延長(zhǎng)使用。