Jak tranzystory termiczne mogą sterować urządzeniami MEM

W ostatnich latach inżynierowie z pewnym sukcesem rozpoczęli projektowanie i testowanie tranzystorów termicznych. Ich celem jest sprawowanie takiej samej kontroli nad ciepłem, jaką mają już nad prądem elektrycznym – możliwość włączania i wyłączania go, modulowania go, a nawet wzmacniania.

Byłoby to niezwykle przydatne do zarządzania rozpraszaniem ciepła, ale także do tworzenia bramek logiki termicznej, które mogą przetwarzać informacje w postaci ciepła.

Wszystkie dotychczas zbudowane tranzystory termiczne działają poprzez modulację przepływu fononów, czyli wibracji termicznych, z jednego materiału do drugiego. Aby to zadziałało, materiały muszą być ze sobą w fizycznym kontakcie.

Ale jest inny sposób na przepływ ciepła – przez przenoszenie promieniowania. W tym przypadku ciepło przepływa wraz z przechodzeniem fotonów termicznych z jednego materiału do drugiego. W takim przypadku materiały nie muszą pozostawać w kontakcie fizycznym.

Dzisiaj Philippe Ben-Abdallah z Université Paris-Sud we Francji i Svend-Age Biehs z Carl von Ossietzky Universität w Niemczech, prezentują pierwszy tranzystor działający na fotonach termicznych. Dużą zaletą tego urządzenia jest to, że działa ze znacznie większą prędkością niż tranzystory fononowe, potencjalnie z prędkością światła.

Projekt jest prosty. Tranzystor składa się z trzech części, które Ben-Abdallah i Biehs nazywają źródłem, drenem i bramką, analogicznie do konwencjonalnego tranzystora. Źródło i dren są wykonane z krzemionki i utrzymywane w różnych temperaturach, aby stworzyć gradient temperatury.

Źródło, które jest cieplejsze niż odpływ, emituje fotony termiczne, które przekazują ciepło do odpływu.

Jednak materiały te są oddzielone cienką warstwą tlenku wanadu, który pełni rolę bramki. Każda z tych trzech warstw jest również oddzielona od siebie szczeliną około 50 nanometrów, aby zapewnić, że przenoszenie ciepła odbywa się wyłącznie przez promieniowanie.

Tlenek wanadu ma interesującą właściwość, ponieważ podczas stygnięcia zmienia się z przewodnika fotonów w izolator. (Temperatura krytyczna, w której to się dzieje, nazywana jest temperaturą przejścia Motta.)

Sztuczka stojąca za tranzystorem Ben-Abdallaha i Biehsa polega na utrzymywaniu warstwy tlenku wanadu w pobliżu jego temperatury przejścia. Kiedy materiał działa jak izolator, fotony termiczne nie mogą przejść, a tranzystor zachowuje się jak wyłączony przełącznik.

Jednak podnosząc temperaturę tlenku wanadu powyżej jego punktu przejścia, tranzystor zostaje „włączony” i zaczyna przewodzić fotony termiczne. Tak więc niewielka zmiana temperatury bramki prowadzi do dramatycznej zmiany przepływu ciepła przez urządzenie. Voila – tranzystor termiczny!

To sprytny pomysł, który Ben-Abdallah i Biehs rozwinęli w działające urządzenie, które testują w swoim artykule. Pokazują, jak wykorzystać ten tranzystor do modulowania przepływu ciepła, włączania i wyłączania przepływu, a nawet do wzmacniania przepływu, tak jak zwykły tranzystor elektroniczny.

Ten rodzaj pracy może mieć ważne zastosowania. Ben-Abdallah i Biehs rozmawiają o termicznych bramkach logicznych i pamięciach termicznych do przechowywania i przetwarzania informacji termicznych. I mówią, że te urządzenia powinny mieć jakieś atrakcyjne właściwości. Obecna koncepcja zezwala na znacznie wyższe prędkości operacyjne (prędkość światła) i powinna być bardzo konkurencyjna w porównaniu z poprzednimi, mówią.

Ale są też inne zastosowania, na przykład w maszynach mikroelektromechanicznych, w których ciepło można wykorzystać do poruszania mikroskopijnych urządzeń, takich jak wsporniki. Możliwość włączania i wyłączania tego ruchu za pomocą tranzystorów termicznych to pomysł o dużym potencjale.

Nie jest jasne, kiedy zobaczymy tego rodzaju tranzystory w akcji. Ale technologia jest już dostępna, więc raczej prędzej niż później jest duża szansa.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1310.0002 : Tranzystor termiczny bliskiego pola

ukryć