Hur termiska transistorer kunde styra MEM-enheter

På senare år har ingenjörer börjat designa och testa termiska transistorer med viss framgång. Deras mål är att utöva samma kontroll över värme som de redan har över elektrisk ström - förmågan att slå på och av den, att modulera den och till och med förstärka den.

Det skulle vara oerhört användbart för att hantera värmeavledning men också för att skapa termiska logiska grindar som kan bearbeta information i form av värme.

De termiska transistorer som byggts hittills fungerar alla genom att modulera flödet av fononer, eller termiska vibrationer, från ett material till ett annat. För att detta ska fungera måste material vara i fysisk kontakt med varandra.

Men det finns ett annat sätt för värme att flöda – genom strålningsöverföring. I detta fall strömmar värme med passagen av termiska fotoner från ett material till ett annat. I det här fallet behöver materialen inte vara i fysisk kontakt.

Idag avtäcker Philippe Ben-Abdallah vid Université Paris-Sud i Frankrike och Svend-Age Biehs vid Carl von Ossietzky Universität i Tyskland den första termiska transistorn som fungerar på termiska fotoner. Den stora fördelen med den här enheten är att den fungerar i mycket högre hastighet än fonontransistorer, eventuellt i ljushastighet.

Designen är enkel. Transistorn består av tre delar, som Ben-Abdallah och Biehs kallar source, drain och gate, i analogi med en konventionell transistor. Källan och avloppet är gjorda av kiseldioxid och hålls vid olika temperaturer för att skapa en temperaturgradient.

Källan, som är varmare än avloppet, avger termiska fotoner som överför värme till avloppet.

Dessa material är dock åtskilda av ett tunt lager vanadinoxid, som fungerar som porten. Vart och ett av dessa tre lager är också separerade från varandra med ett gap på cirka 50 nanometer för att säkerställa att värmeöverföringen endast är strålande.

Vanadinoxid har den intressanta egenskapen att den växlar från att vara en fotonledare till en isolator när den svalnar. (Den kritiska temperaturen vid vilken detta händer kallas Mott-övergångstemperaturen.)

Tricket bakom Ben-Abdallah och Biehs transistor är att hålla lagret av vanadinoxid nära sin övergångstemperatur. När materialet fungerar som en isolator kan de termiska fotonerna inte passera och transistorn beter sig som en strömbrytare som är avstängd.

Men genom att höja temperaturen på vanadinoxiden över dess övergångspunkt slås transistorn på och börjar leda termiska fotoner. Så en liten förändring i temperaturen på porten leder till en dramatisk förändring i värmeflödet genom enheten. Voila – en termisk transistor!

Det är en smart idé som Ben-Abdallah och Biehs har utvecklat till en fungerande enhet som de testar i sin tidning. De visar hur man använder denna transistor för att modulera värmeflöde, för att koppla på och av flödet och till och med för att förstärka flödet, precis som en vanlig elektronisk transistor.

Den här typen av arbete kan ha viktiga tillämpningar. Ben-Abdallah och Biehs talar om termiska logiska grindar och termiska minnen för lagring och bearbetning av termisk information. Och de säger att dessa enheter borde ha några attraktiva egenskaper. Det nuvarande konceptet tillåter mycket högre driftshastigheter (ljushastighet) och borde vara mycket konkurrenskraftigt jämfört med de tidigare, säger de.

Men det finns också andra användningsområden, som i mikroelektromekaniska maskiner där värme kan användas för att flytta mikroskopiska enheter som konsoler. Möjligheten att slå på och av denna rörelse med termiska transistorer är en idé med stor potential.

Precis när vi kommer att se dessa typer av transistorer i aktion är inte klart. Men tekniken är tillgänglig nu, så förr snarare än senare är en stor möjlighet.

Ref: arxiv.org/abs/1310.0002 : Närfältstermisk transistor

Dölj