Hvordan termiske transistorer kunne styre MEM-enheder

I de senere år er ingeniører begyndt at designe og teste termiske transistorer med en vis succes. Deres mål er at udøve den samme kontrol over varme, som de allerede har over elektrisk strøm - evnen til at tænde og slukke for den, modulere den og endda forstærke den.

Det ville være enormt nyttigt til styring af varmeafledning, men også til at skabe termiske logiske porte, der kan behandle information i form af varme.

De termiske transistorer, der hidtil er bygget, fungerer alle ved at modulere strømmen af ​​fononer, eller termiske vibrationer, fra et materiale til et andet. For at dette kan fungere, skal materialerne være i fysisk kontakt med hinanden.

Men der er en anden måde, hvorpå varme kan flyde - ved strålingsoverførsel. I dette tilfælde strømmer varme med passagen af ​​termiske fotoner fra et materiale til et andet. I dette tilfælde behøver materialerne ikke at være i fysisk kontakt.

I dag løfter Philippe Ben-Abdallah ved Université Paris-Sud i Frankrig og Svend-Age Biehs ved Carl von Ossietzky Universität i Tyskland sløret for den første termiske transistor, der opererer på termiske fotoner. Den store fordel ved denne enhed er, at den fungerer ved meget højere hastighed end phonon-transistorer, potentielt ved lyshastighed.

Designet er enkelt. Transistoren består af tre dele, som Ben-Abdallah og Biehs kalder source, drain og gate, analogt med en konventionel transistor. Kilden og afløbet er lavet af silica og holdes ved forskellige temperaturer for at skabe en temperaturgradient.

Kilden, som er varmere end afløbet, udsender termiske fotoner, som overfører varme til afløbet.

Disse materialer er dog adskilt af et tyndt lag vanadiumoxid, der fungerer som porten. Hvert af disse tre lag er også adskilt fra hinanden med et mellemrum på omkring 50 nanometer for at sikre, at varmeoverførslen kun er stråling.

Vanadiumoxid har den interessante egenskab, at det skifter fra at være en fotonleder til en isolator, når det afkøles. (Den kritiske temperatur, ved hvilken dette sker, kaldes Mott-overgangstemperaturen.)

Tricket bag Ben-Abdallah og Biehs' transistor er at holde laget af vanadiumoxid tæt på dets overgangstemperatur. Når materialet fungerer som en isolator, kan de termiske fotoner ikke passere, og transistoren opfører sig som en kontakt, der er slukket.

Men ved at hæve temperaturen på vanadiumoxidet over dets overgangspunkt, tændes transistoren og begynder at lede termiske fotoner. Så en lille ændring i temperaturen på porten fører til en dramatisk ændring i varmestrømmen gennem enheden. Voila – en termisk transistor!

Det er en smart idé, som Ben-Abdallah og Biehs har udviklet til en fungerende enhed, som de tester i deres papir. De viser, hvordan man bruger denne transistor til at modulere varmeflow, til at tænde og slukke for flowet og endda til at forstærke flowet, ligesom en almindelig elektronisk transistor.

Denne form for arbejde kunne have vigtige anvendelser. Ben-Abdallah og Biehs taler om termiske logiske porte og termiske hukommelser til lagring og behandling af termisk information. Og de siger, at disse enheder skal have nogle attraktive egenskaber. Det nuværende koncept tillader meget højere driftshastigheder (lyshastighed) og burde være meget konkurrencedygtigt i forhold til de tidligere, siger de.

Men der er også andre anvendelser, såsom i mikroelektromekaniske maskiner, hvor varme kan bruges til at flytte mikroskopiske enheder såsom udkragere. Evnen til at tænde og slukke for denne bevægelse ved hjælp af termiske transistorer er en idé med stort potentiale.

Det er ikke klart, hvornår vi vil se den slags transistorer i aktion. Men teknologien er tilgængelig nu, så før snarere end senere er en stor mulighed.

Ref: arxiv.org/abs/1310.0002 : Nærfelts termisk transistor

skjule