Kā termotranzistori varētu kontrolēt MEM ierīces

Pēdējos gados inženieri ar zināmiem panākumiem ir sākuši projektēt un pārbaudīt termotranzistorus. Viņu mērķis ir īstenot tādu pašu siltuma kontroli, kāda viņiem jau ir pār elektrisko strāvu – iespēja to ieslēgt un izslēgt, modulēt un pat pastiprināt.

Tas būtu ļoti noderīgi, lai pārvaldītu siltuma izkliedi, kā arī lai izveidotu termiskos loģiskos vārtus, kas var apstrādāt informāciju siltuma veidā.

Visi līdz šim uzbūvētie termotranzistori darbojas, modulējot fononu plūsmu jeb termiskās vibrācijas no viena materiāla uz otru. Lai tas darbotos, materiāliem ir jābūt fiziskai saskarei vienam ar otru.

Bet ir vēl viens siltuma plūsmas veids - ar starojuma pārnesi. Šajā gadījumā siltums plūst, siltuma fotoniem pārejot no viena materiāla uz otru. Šajā gadījumā materiāliem nav nepieciešams fizisks kontakts.

Šodien Philippe Ben-Abdallah Université Paris-Sud Francijā un Svend-Age Biehs Carl von Ossietzky Universität Vācijā atklāj pirmo termisko tranzistoru, kas darbojas ar siltuma fotoniem. Šīs ierīces lielā priekšrocība ir tā, ka tā darbojas daudz lielākā ātrumā nekā fononu tranzistori, iespējams, gaismas ātrumā.

Dizains ir vienkāršs. Tranzistors sastāv no trim daļām, kuras Ben-Abdallah un Biehs sauc par avotu, kanalizāciju un vārtiem, analoģijā ar parasto tranzistoru. Avots un noteka ir izgatavoti no silīcija dioksīda un tiek turēti dažādās temperatūrās, lai izveidotu temperatūras gradientu.

Avots, kas ir karstāks par noteku, izstaro termiskos fotonus, kas pārnes siltumu uz kanalizāciju.

Tomēr šos materiālus atdala plāns vanādija oksīda slānis, kas darbojas kā vārti. Katrs no šiem trim slāņiem ir arī atdalīts viens no otra ar aptuveni 50 nanometru atstarpi, lai nodrošinātu, ka siltuma pārnese ir tikai izstarojoša.

Vanādija oksīdam ir interesanta īpašība, ka tas atdziestot pāriet no fotona vadītāja uz izolatoru. (Kritisko temperatūru, pie kuras tas notiek, sauc par Mott pārejas temperatūru.)

Ben-Abdallah un Biehs tranzistora triks ir noturēt vanādija oksīda slāni tuvu tā pārejas temperatūrai. Kad materiāls darbojas kā izolators, siltuma fotoni nevar iziet cauri, un tranzistors darbojas kā slēdzis, kas ir izslēgts.

Bet, paaugstinot vanādija oksīda temperatūru virs tā pārejas punkta, tranzistors tiek “ieslēgts” un sāk vadīt siltuma fotonus. Tātad nelielas vārtu temperatūras izmaiņas izraisa dramatiskas izmaiņas siltuma plūsmā caur ierīci. Voila — siltuma tranzistors!

Tā ir gudra ideja, ko Ben-Abdallah un Biehs ir izveidojuši par darba ierīci, ko viņi pārbauda savā dokumentā. Tie parāda, kā izmantot šo tranzistoru, lai modulētu siltuma plūsmu, ieslēgtu un izslēgtu plūsmu un pat pastiprinātu plūsmu, tāpat kā parastu elektronisko tranzistoru.

Šāda veida darbam varētu būt svarīgas pielietojums. Ben-Abdallah un Biehs runā par termiskās loģikas vārtiem un termiskajām atmiņām termiskās informācijas glabāšanai un apstrādei. Un viņi saka, ka šīm ierīcēm vajadzētu būt dažām pievilcīgām īpašībām. Pašreizējā koncepcija pieļauj daudz lielāku darbības ātrumu (gaismas ātrumu), un tai vajadzētu būt ļoti konkurētspējīgai salīdzinājumā ar iepriekšējiem, viņi saka.

Taču ir arī citi lietojumi, piemēram, mikroelektromehāniskās iekārtās, kur siltumu var izmantot, lai pārvietotu mikroskopiskas ierīces, piemēram, konsoles. Iespēja ieslēgt un izslēgt šo kustību, izmantojot termiskos tranzistorus, ir ideja ar lielu potenciālu.

Nav skaidrs, kad mēs redzēsim šāda veida tranzistorus darbībā. Bet tehnoloģija ir pieejama tagad, tāpēc drīzāk nekā vēlāk ir liela iespēja.

Atsauce: arxiv.org/abs/1310.0002 : Tuva lauka termiskais tranzistors

paslēpties