导读

AI 算力、深紫外光电器件、射频设备等高集成芯片高热流难题日益凸显，传统风冷、水冷、热管散热均需额外消耗大量电能，芯片废热直接散失造成巨大能源损耗。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所联合长春工业大学团队创新提出导热气凝胶水伏发电机（HEG）片上热利用一体化系统，依托水分子吸附-蒸发诱导离子迁移发电机制，在完成芯片降温的同时回收废热转化为可储存电能。该技术无需外部供能、结构轻薄易集成，在236 nm深紫外LED、商用Intel CPU等多类芯片验证大幅提升设备能效。

成果发表于国际光学期刊《Light: Science & Applications》，题为“Thermal Utilization on Chip”。

研究背景

随着 5G 通信、人工智能、深空探测产业快速发展，芯片集成度与算力持续提升，单位面积热流密度急剧攀升，片上热管理成为制约设备性能与寿命的核心瓶颈。当前主流散热方案存在固有短板：

1.风冷、水冷、微通道、热管等主动散热系统需配套泵、风机等外设，制冷能耗最高占整机输入能量 50% 以上；

2.工业余热回收依靠蒸汽 - 发电机体系，设备体积庞大，无法适配芯片微型封装空间；

3. 辐射制冷仅能被动向外辐射热量，无能量回收能力，低环境温差下冷却效果大幅衰减。

现有技术只能单纯“耗散热量”，无法实现“降温+余热回收”协同。水伏发电依靠水分子与材料界面电荷转移产电，水分子兼具极高比热容，兼具传热与能量转换双重潜力，为片上一体化热管理提供全新突破口。本工作以此为核心，开发电极-复合气凝胶集成式HEG器件，建立吸湿储水-蒸发散热-热增强离子发电完整闭环体系。

研究亮点

针对传统芯片散热能耗高、废热无法回收、余热设备难以微型集成等痛点，研究团队创新构建基于导热复合气凝胶水伏发电机（HEG）的片上一体化热利用体系，实现散热与废热同步回收。研究创新性采用翅片超亲水铝电极与 ZIF-67 改性碳布构筑不对称双电极，大幅提升换热面积与界面电荷密度；以羧甲基纤维素钙为基体复配多组分离子气凝胶，兼顾 7.11 W/(m?K) 高导热与强吸湿储水能力，从材料层面打通传热、吸湿、离子发电协同路径。借助第一性原理与分子动力学，首次完整解析温度梯度调控水分子界面电荷转移、离子定向迁移的微观机制，阐明低温盐离子防冻机理，使器件稳定工作区间覆盖-20 ℃至55 ℃。区别于传统散热仅被动耗散热量，该体系利用芯片废热强化离子水解，形成“吸湿储水—蒸发降温—热增强发电” 闭环。在236 nm深紫外LED测试中，复合系统将芯片温度控制在40 ℃以内，整体能量利用效率提升610.70%；商用CPU搭载后温度由93 ℃降至60 ℃以下，运算性能提升16.6%。器件无电极腐蚀、可串并联拓展，无需额外冷却能耗，且在大功率LED、射频放大器、电机等多类电子器件均验证适配性，为微电子低能耗热管理提供全新可集成技术方案。

图1 高导热水伏发电机示意图。单个水伏发电模块由并联的4个水伏发电单元组成，每个单元中填充含有碳纳米管的导热凝胶，可自发吸收空气中的水分，促进对芯片热能的快速导出。

图2 HEG气凝胶的机制分析及发电性能表征。a HEG气凝胶的组成。b 在25 °C时，HEG气凝胶的动能、势能和总能的变化；c 在-15 °C时，HEG气凝胶的动能、势能和总能的变化。d HEG发电原理的示意图。e 在不同湿度水平和不同温度下，HEG单模块在30分钟内的平均I-V曲线（电流密度（蓝色）和电压（红色））；f 在不同负载下，电流密度（蓝色）、开路电压（红色）和功率密度（橙色）。

图3 LED（236 nm）@HEG复合结构及其综合性能。a LED（236 nm）的示意图。b 随波长变化的发射强度。c 不同电流和温度下LED（236 nm）的发光功率和电光转换效率。e 在连续运行2分钟及2分钟停机过程中，LED（236 nm）（红色）和LED（236 nm）@HEG（蓝色）的温度变化。测试在室内环境（27 °C ≤ T ≤ 28 °C，40% ≤ RH ≤ 45%）下进行。LED（236 nm）@HEG器件在f不同湿度水平和g不同温度下的30分钟内平均电流密度（蓝色）和电压（红色），以及h在不同负载下LED（236 nm）@HEG器件的电流密度（蓝色）、电压（红色）和功率密度（橙色）。

图4 稳定性测试和能量循环。a LED(236 nm)@HEG复合器件在120小时内的发电、散热和发光情况。b LED和c LED(236 nm)@HEG的输入能量及其变化的示意图。d 部署HEG后G3220芯片表面的数码照片。e 正常运行条件下芯片随时间变化的温度曲线。红色表示未部署HEG时的温度，蓝色表示部署HEG后的温度。f HEG随时间变化的电流密度（蓝色）和开路电压（红色）曲线。

总结与展望

该研究开发了一体化水伏气凝胶片上热利用系统，同步实现芯片高效散热与废热电能回收。器件依托多元复合气凝胶与改性双电极结构，拥有宽温域稳定工作能力，在 DUV LED、商用 CPU 上实现显著降温与能效提升，能量利用率提升 610.70%，同时在射频器件、功率 LED、电机等设备证实普适性。整套方案无需额外冷却能耗、结构轻薄易集成，突破传统散热仅耗散热量的局限。后续团队将优化气凝胶导热吸湿协同性能，提升高热流场景发电功率；开发大面积量产制备工艺，推进器件与芯片封装一体化，拓展算力机房、车载、航天微电子等极端工况应用，推动片上余热回收技术产业化落地。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02326-1