日本青山學(xué)院大學(xué)理工學(xué)部化學(xué)·生命科學(xué)系重里有三（Yuzo Shigesato）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，近日宣布成功研發(fā)出一種全固態(tài)薄膜疊層熱開關(guān)器件。該成果利用金屬與半導(dǎo)體之間的相變機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光至近紅外光透過率、電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率的同步可逆調(diào)控，在熱管理與能源高效利用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)已于美國物理學(xué)協(xié)會(huì)出版社（AIP Publishing）旗下專業(yè)期刊《應(yīng)用物理學(xué)雜志》（Journal of Applied Physics，卷139，115104，2026）。

所謂熱開關(guān)，是指能夠在低熱導(dǎo)率（關(guān)斷態(tài)）與高熱導(dǎo)率（導(dǎo)通態(tài)）之間實(shí)現(xiàn)可逆切換的功能器件。此類器件在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）熱執(zhí)行器、熱二極管、電池組熱管理以及高性能計(jì)算機(jī)散熱系統(tǒng)等場(chǎng)景中均有廣泛的潛在應(yīng)用，亦是當(dāng)前推動(dòng)能源高效利用的關(guān)鍵技術(shù)方向之一。

釔鎂合金薄膜實(shí)現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體可逆相變

該研究的核心原理在于"調(diào)光鏡材料"（Switchable Mirror）的特殊物理化學(xué)特性。某些稀土元素或過渡金屬與鎂（Mg）形成的合金，在其Zui上層沉積5至10納米厚的極薄鈀（Pd）催化膜后，可借助加氫/脫氫反應(yīng)在金屬態(tài)與半導(dǎo)體態(tài)之間發(fā)生可逆相變。這一相變過程對(duì)應(yīng)材料光學(xué)、電學(xué)乃至熱學(xué)性質(zhì)的顯著變化，正是實(shí)現(xiàn)熱開關(guān)功能的物理基礎(chǔ)。

可逆的加氫/脫氫反應(yīng)可通過兩種方式觸發(fā)：其一為氣致變色（Gasochromic）方式，即將樣品暴露于1個(gè)大氣壓、含3%氫氣的氮?dú)饣旌蠚怏w（氫氣濃度低于爆炸下限，安全可控）中；其二為電致變色（Electrochromic）方式，即在電解液中通過電化學(xué)手段注入氫離子（H?），驅(qū)動(dòng)加氫/脫氫反應(yīng)。兩種方式均可實(shí)現(xiàn)相變過程的可逆控制。

七層全固態(tài)結(jié)構(gòu)攻克器件集成難題

重里研究室長(zhǎng)期專注于多種薄膜材料的磁控濺射（Sputter）成膜研究，系統(tǒng)探索了在上述兩種觸發(fā)方式下實(shí)現(xiàn)Zui優(yōu)可逆加氫反應(yīng)的材料體系及薄膜制備條件。在積累大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工藝經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備出由七層功能性無機(jī)薄膜疊加而成的全固態(tài)器件結(jié)構(gòu)，由下至上依次為：

透明導(dǎo)電膜（ITO）／調(diào)光鏡薄膜（Y-Mg釔鎂合金）／催化層（Pd鈀）／漏電流阻擋層（薄層氧化鎢，WO?）／離子導(dǎo)電膜（氧化鉭，Ta?O?）／離子存儲(chǔ)膜（含氫氧化鎢，HxWO?）／透明導(dǎo)電膜（ITO）。各層薄膜分別在研究室內(nèi)配置的不同濺射設(shè)備上完成沉積，Zui終集成為一體化全固態(tài)器件，徹底摒棄了傳統(tǒng)方案中依賴液態(tài)電解質(zhì)的工藝路線，大幅提升了器件的穩(wěn)定性與實(shí)用化潛力。

參與本項(xiàng)研究的成員包括：現(xiàn)任早稻田大學(xué)基干理工學(xué)部講師、研究期間擔(dān)任重里研究室助教的柏木誠，研究室博士前期課程（2022年度）畢業(yè)生西村龍飛，理工學(xué)部機(jī)器分析中心助手小口有希，以及項(xiàng)目負(fù)責(zé)人重里有三教授。

熱管理需求激增，全固態(tài)器件加速走向應(yīng)用

隨著人工智能算力基礎(chǔ)設(shè)施的快速擴(kuò)張與新能源汽車電池系統(tǒng)的持續(xù)升級(jí)，精準(zhǔn)、高效的熱管理技術(shù)正成為半導(dǎo)體與新能源兩大行業(yè)的共同痛點(diǎn)。傳統(tǒng)熱管理方案多依賴風(fēng)冷、液冷等宏觀手段，難以實(shí)現(xiàn)芯片或電池單元級(jí)別的局部熱流精細(xì)調(diào)控。全固態(tài)薄膜熱開關(guān)的出現(xiàn)，為在納米至微米尺度上主動(dòng)干預(yù)熱傳導(dǎo)路徑提供了全新思路。

日本在功能性薄膜材料領(lǐng)域積累深厚，多所綜合性大學(xué)與國立研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期在光致變色、電致變色及氣致變色材料方向持續(xù)投入，形成了較為完整的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用轉(zhuǎn)化生態(tài)。青山學(xué)院大學(xué)此次的突破正是這一體系結(jié)出的新成果。對(duì)于正在布局先進(jìn)熱管理材料與器件的國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)而言，全固態(tài)薄膜路線在可靠性、可集成性方面的優(yōu)勢(shì)值得重點(diǎn)關(guān)注——將調(diào)光鏡材料的多重物性調(diào)控能力與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝平臺(tái)相結(jié)合，或?qū)⒊蔀橄乱浑A段熱開關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要突破口。