Wie Thermotransistoren MEMs-Geräte steuern könnten

In den letzten Jahren haben Ingenieure mit einigem Erfolg damit begonnen, thermische Transistoren zu entwickeln und zu testen. Ihr Ziel ist es, die gleiche Kontrolle über die Wärme auszuüben, die sie bereits über den elektrischen Strom haben – die Fähigkeit, ihn ein- und auszuschalten, zu modulieren und sogar zu verstärken.



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Dies wäre sehr nützlich, um die Wärmeableitung zu verwalten, aber auch um thermische Logikgatter zu erstellen, die Informationen in Form von Wärme verarbeiten können.

Die bisher gebauten Thermotransistoren funktionieren alle, indem sie den Fluss von Phononen oder thermischen Schwingungen von einem Material zum anderen modulieren. Damit dies funktioniert, müssen Materialien in physischem Kontakt miteinander sein.





Aber es gibt noch einen anderen Weg für den Wärmefluss – durch Strahlungsübertragung. In diesem Fall fließt Wärme beim Durchgang von thermischen Photonen von einem Material zum anderen. In diesem Fall müssen die Materialien keinen physischen Kontakt haben.

Philippe Ben-Abdallah von der Université Paris-Sud in Frankreich und Svend-Age Biehs von der Carl von Ossietzky Universität in Deutschland stellen heute den ersten thermischen Transistor vor, der mit thermischen Photonen arbeitet. Der große Vorteil dieses Geräts besteht darin, dass es mit viel höherer Geschwindigkeit arbeitet als Phononentransistoren, möglicherweise mit Lichtgeschwindigkeit.

Das Design ist einfach. Der Transistor besteht aus drei Teilen, die Ben-Abdallah und Biehs in Analogie zu einem herkömmlichen Transistor Source, Drain und Gate nennen. Source und Drain bestehen aus Siliziumdioxid und werden auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten, um einen Temperaturgradienten zu erzeugen.



Die Quelle, die heißer ist als der Drain, emittiert thermische Photonen, die Wärme an den Drain übertragen.

Diese Materialien sind jedoch durch eine dünne Schicht aus Vanadiumoxid getrennt, die als Gate fungiert. Jede dieser drei Schichten ist außerdem durch einen Abstand von etwa 50 Nanometern voneinander getrennt, um sicherzustellen, dass die Wärmeübertragung ausschließlich durch Strahlung erfolgt.

Vanadiumoxid hat die interessante Eigenschaft, dass es beim Abkühlen vom Photonenleiter in einen Isolator wechselt. (Die kritische Temperatur, bei der dies geschieht, wird als Mott-Übergangstemperatur bezeichnet.)

Der Trick hinter dem Transistor von Ben-Abdallah und Biehs besteht darin, die Vanadiumoxidschicht nahe ihrer Übergangstemperatur zu halten. Wenn das Material als Isolator fungiert, können die thermischen Photonen nicht passieren und der Transistor verhält sich wie ein ausgeschalteter Schalter.



Durch Anheben der Temperatur des Vanadiumoxids über seinen Übergangspunkt wird der Transistor jedoch „eingeschaltet“ und beginnt, thermische Photonen zu leiten. Eine kleine Änderung der Temperatur des Angusses führt also zu einer dramatischen Änderung des Wärmeflusses durch das Gerät. Voila – ein Thermotransistor!

Eine clevere Idee, die Ben-Abdallah und Biehs zu einem Arbeitsgerät entwickelt haben, das sie in ihrer Zeitung testen. Sie zeigen, wie man diesen Transistor verwendet, um den Wärmefluss zu modulieren, den Fluss ein- und auszuschalten und sogar den Fluss zu verstärken, genau wie ein gewöhnlicher elektronischer Transistor.

Diese Art von Arbeit könnte wichtige Anwendungen haben. Ben-Abdallah und Biehs sprechen über thermische Logikgatter und thermische Speicher zur Speicherung und Verarbeitung von thermischen Informationen. Und sie sagen, dass diese Geräte einige attraktive Eigenschaften haben sollten. Das vorliegende Konzept erlaubt viel höhere Betriebsgeschwindigkeiten (Lichtgeschwindigkeit) und sollte im Vergleich zu den vorherigen sehr wettbewerbsfähig sein, heißt es.

Aber es gibt auch andere Anwendungen, beispielsweise in mikroelektromechanischen Maschinen, bei denen Wärme verwendet werden kann, um mikroskopische Geräte wie Ausleger zu bewegen. Die Möglichkeit, diese Bewegung mit Thermotransistoren ein- und auszuschalten, ist eine Idee mit großem Potenzial.

Wann wir diese Art von Transistoren in Aktion sehen werden, ist nicht klar. Aber die Technologie ist jetzt verfügbar, daher ist eher früher als später eine gute Möglichkeit.

Ref: arxiv.org/abs/1310.0002 : Thermischer Nahfeldtransistor

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