211service.com
Hoe thermische transistoren MEM-apparaten kunnen besturen
In de afgelopen jaren zijn ingenieurs met enig succes begonnen met het ontwerpen en testen van thermische transistors. Hun doel is om dezelfde controle over warmte uit te oefenen die ze al hebben over elektrische stroom - het vermogen om het aan en uit te zetten, het te moduleren en zelfs te versterken.
Dat zou enorm handig zijn voor het beheren van warmteafvoer, maar ook voor het creëren van thermische logische poorten die informatie in de vorm van warmte kunnen verwerken.
De thermische transistors die tot nu toe zijn gebouwd, werken allemaal door de stroom van fononen, of thermische trillingen, van het ene materiaal naar het andere te moduleren. Om dit te laten werken, moeten materialen fysiek met elkaar in contact staan.
Maar er is een andere manier om warmte te laten stromen - door stralingsoverdracht. In dit geval stroomt warmte met de passage van thermische fotonen van het ene materiaal naar het andere. In dit geval hoeven de materialen niet in fysiek contact te staan.
Vandaag onthullen Philippe Ben-Abdallah van de Université Paris-Sud in Frankrijk en Svend-Age Biehs van de Carl von Ossietzky Universität in Duitsland de eerste thermische transistor die werkt op thermische fotonen. Het grote voordeel van dit apparaat is dat het op veel hogere snelheid werkt dan fonontransistors, mogelijk op lichtsnelheid.
Het ontwerp is eenvoudig. De transistor bestaat uit drie delen, die Ben-Abdallah en Biehs de source, drain en gate noemen, analoog aan een conventionele transistor. De bron en afvoer zijn gemaakt van silica en worden op verschillende temperaturen gehouden om een temperatuurgradiënt te creëren.
De bron, die heter is dan de afvoer, zendt thermische fotonen uit die warmte afgeven aan de afvoer.
Deze materialen worden echter gescheiden door een dunne laag vanadiumoxide, die als poort fungeert. Elk van deze drie lagen is ook van elkaar gescheiden door een opening van ongeveer 50 nanometer om ervoor te zorgen dat de warmteoverdracht alleen stralingswarmte is.
Vanadiumoxide heeft de interessante eigenschap dat het bij afkoeling overgaat van een fotongeleider naar een isolator. (De kritische temperatuur waarbij dit gebeurt, wordt de Mott-overgangstemperatuur genoemd.)
De truc achter de transistor van Ben-Abdallah en Biehs is om de laag vanadiumoxide dicht bij de overgangstemperatuur te houden. Wanneer het materiaal als isolator werkt, kunnen de thermische fotonen niet passeren en gedraagt de transistor zich als een schakelaar die uit staat.
Maar door de temperatuur van het vanadiumoxide boven zijn overgangspunt te verhogen, wordt de transistor 'aan' geschakeld en begint hij thermische fotonen te geleiden. Dus een kleine verandering in de temperatuur van de poort leidt tot een dramatische verandering in de warmtestroom door het apparaat. Voila - een thermische transistor!
Dat is een slim idee dat Ben-Abdallah en Biehs hebben ontwikkeld tot een werkend apparaat dat ze testen in hun paper. Ze laten zien hoe je deze transistor kunt gebruiken om de warmtestroom te moduleren, om de stroom aan en uit te schakelen en zelfs om de stroom te versterken, net als een gewone elektronische transistor.
Dit soort werk kan belangrijke toepassingen hebben. Ben-Abdallah en Biehs praten over thermische logische poorten en thermische geheugens voor de opslag en verwerking van thermische informatie. En ze zeggen dat deze apparaten een aantal aantrekkelijke eigenschappen moeten hebben. Het huidige concept staat veel hogere operationele snelheden toe (snelheid van het licht) en zou zeer concurrerend moeten zijn in vergelijking met de vorige, zeggen ze.
Maar er zijn ook andere toepassingen, zoals in micro-elektromechanische machines waar warmte kan worden gebruikt om microscopisch kleine apparaten zoals cantilevers te verplaatsen. De mogelijkheid om deze beweging aan en uit te zetten met behulp van thermische transistors is een idee met veel potentie.
Wanneer we dit soort transistors in actie zullen zien, is niet duidelijk. Maar de technologie is nu beschikbaar, dus eerder vroeger dan later is een sterke mogelijkheid.
Referentie: arxiv.org/abs/1310.0002 : Thermische transistor in het nabije veld