電界効果でイオンの流れを制御する新冷却技術~半導体チップの局所冷却への応用に期待~

2025-11-26 東京大学

大阪大学・東京大学・産総研・IITによる共同研究チームは、固体ナノポアにゲート電極を組み合わせた新デバイスを開発し、電界効果によって液体中のイオン流を選択的に制御する技術を確立した。ナノポア内壁の電荷を電圧で調整し、陽イオンのみを一方向へ流すことで、イオンが熱を運ぶ「イオン版ペルチェ効果」を実証し、最大約2℃の冷却に成功した。電圧の向きを変えると加熱にも切り替わるため、同一デバイスで冷却・加熱の双方向制御が可能となる。AIチップの高発熱化に伴い重要性が増すマイクロ流体冷却と組み合わせることで、半導体内部の局所ホットスポットをピンポイントで冷却できる新技術として期待される。成果はACS Nanoに掲載。

電界効果でイオンの流れを制御する新冷却技術~半導体チップの局所冷却への応用に期待~
図1. トランジスタの仕組みを応用したイオン型ペルチェ冷却。

<関連情報>

固体ナノポアにおけるゲート調整可能なイオン熱電冷却 Gate-Tunable Ionothermoelectric Cooling in a Solid-State Nanopore

Makusu Tsutsui,Kazumichi Yokota,Wei-Lun Hsu,Yuki Komoto,Denis Garoli,Hirofumi Daiguji,and Tomoji Kawai
ACS Nano  Published: November 25, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13339

Abstract

Efficient heat dissipation at the nanoscale remains a major challenge for high-performance microelectronics. Here, we demonstrate a proof-of-concept approach for ionothermoelectric cooling, the ionic analogue of the Peltier effect, using gate-tunable solid-state nanopores integrated with nanoscale thermocouples. By integrating a nanoscale thermocouple directly adjacent to a gate-tunable solid-state nanopore, we quantitatively map local thermal responses driven by voltage-induced ion transport. We show that ionic heating scales with input power and varies with the ion species, revealing a dependence on the intrinsic heat of transport. Under salt concentration gradients, we observe ionic cooling, a fluidic analogue of the Peltier effect, arising from directional cation transport through negatively charged nanopores. This effect is further enhanced via electrostatic gating, which modulates the pore wall surface potential to tune the permselectivity. Under optimal gating, the system exhibits reversible transitions between heating and cooling regimes with temperature drops exceeding 2 K. Although modest compared to electronic Peltier devices, this effect establishes a viable mechanism for active, electrically tunable thermal management in nanofluidic systems. Given that water-based flow cooling already outperforms solid-state thermoelectrics by orders of magnitude, incorporating ionothermoelectric cooling can further enhance heat-pumping efficiency in micro- and nanofluidic architectures, thereby establishing a scalable on-chip ionic refrigeration strategy for next-generation semiconductor thermal control.

1700応用理学一般
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