来自日本北海道大学的学者开发了一种固态热晶体管，它可以在不使用任何液体的情况下以电化学方式控制热流，其热导率(κ)的开关比约为4。热晶体管是由上电极、钴酸锶(SrCoOx)、固体电解质和下电极组成的多层薄膜。可以在280℃的空气中进行电化学氧化还原处理可重复调节SrCoOx层的晶体结构和κ。完全氧化的钙钛矿结构SrCoO3层显示出高κ≈3.8Wm−1K−1，而完全还原缺陷的钙钛矿结构SrCoO2层显示出低κ≈0.95Wm−1K−1。目前的固态电化学热晶体管可能成为未来热管理技术的下一代器件。相关文章以“Solid-StateElectrochemicalThermalTransistors”标题发表在AdvancedFunctionalMaterials。
图1.固态电化学热晶体管的设计。（左）关闭状态。通过电化学还原处理在SrCoOx层中产生氧缺陷。生成的SrCoO2层（缺陷钙钛矿），其含有1/3的SrCoO3氧缺陷，缺陷会分散热流从而降低导热率。（右）联通状态。电化学氧化处理使氧缺陷消失，从而提高导热系数。
图2.固态热晶体管的操作。a,d)在a)从还原为SrCoO2和d)从SrCoO2氧化为SrCoO3期间观察到的热敏晶体管直流电压的变化。b,e)在b)还原和e)氧化处理后热晶体管的TDTR衰减曲线的变化。c,f)在c)还原和f)氧化之后SrCoOx层的热导率变化。制造热晶体管(0cm−3)的层的导热系数约为1.8Wm−1K−1。随着电子密度的增加，TDTR衰变逐渐被抑制。SrCoOx层的热导率随Q逐渐降低，并在Q超过1.7×1022cm-3时变为恒定值(≈1Wm-1K-1)。c,d)c)TDTR衰减曲线和d)氧化热晶体管热导率的变化。
图3.SrCoOx薄膜在电化学还原/氧化处理后的拓扑晶体结构变化。a、c、e)a)生长的、c)还原的SrCoO2和e)氧化的SrCoO3的面外XRD图。a)00l(l=2、4、8和10)褐镁石(BM)的强衍射峰与002GDC、002YSZ(*)和111Pt的衍射峰一起出现。c)00l（l=1和2）缺陷钙钛矿(DP)SrCoO2的强衍射峰与002GDC、002YSZ(*)和111Pt一起出现。e)00l（l=1和2）钙钛矿(P)SrCoO3的强衍射峰与002GDC、002YSZ(*)和111Pt一起出现。b,d)b)还原后和d)SrCoO2氧化后的面外XRD图案的变化。b)当Q超过0.8×1022cm-3时，BM的衍射峰消失，出现中间相（箭头）。d)当Q超过1.0×1022cm-3时，DP的衍射峰消失，同时出现中间相（箭头）。然后这些中间相峰消失，BM相出现。
图4.氧化还原处理后SrCoOx层晶格的可重复变化。a)4.8–5.6nm−1的qz/2π范围内的面外XRD图案变化。b)氧化还原循环时还原的SrCoO2和氧化的SrCoO3层的d值变化。
图5.氧化还原处理后SrCoOx层热导率的可重复变化。a)TDTR衰减曲线的变化。氧化SrCoO3的TDTR衰变总是比还原SrCoO2快。可见良好的重复性。b)氧化还原循环时还原的SrCoO2和氧化的SrCoO3层的热导率发生变化。还原SrCoO2的平均导热率为0.95Wm−1K−1，氧化SrCoO3的平均导热率为3.8Wm−1K−1。
总之，本研究展示了一种没有任何液体的固态电化学热晶体管，它可以利用SrCoOx层热导率的变化来控制热流。导热系数(κ)的通断比约为4。固态电化学热晶体管由上电极、SrCoOx、固体电解质和下电极组成。在280℃的空气中进行电化学氧化还原处理可打开和关闭热晶体管，并反复调节SrCoOx层的晶体结构和κ。当热晶体管导通时，SrCoO3层的κ≈3.8Wm−1K−1。相比之下，SrCoO2层的κ在关闭时约为0.95Wm−1K−1。此外，本研究确认了热敏晶体管的循环特性（10个循环）。（文：SSC）