專利名稱：熱開關(guān)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
如果存在能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件，則可以將上述元件應(yīng)用于各種領(lǐng)域。例如，也能夠?qū)衢_關(guān)元件應(yīng)用于作為向特定的方向傳輸熱的技術(shù)的冷卻技術(shù)的領(lǐng)域，這時，也能夠?qū)⑸鲜鲈Q為冷卻元件。
現(xiàn)有的冷卻技術(shù)大致分成利用制冷劑的壓縮以及膨脹循環(huán)的技術(shù)和利用熱電現(xiàn)象的技術(shù)兩類。在利用制冷劑的壓縮、膨脹循環(huán)的情形中，主要將壓縮機(jī)用于制冷劑的壓縮。該技術(shù)，因為經(jīng)過多年的壓縮機(jī)技術(shù)的改良等具有卓越的效率，所以也廣泛應(yīng)用于冷凍機(jī)、電冰箱、空調(diào)等的民用設(shè)備中。但是，制冷劑很多使用氟里昂，被指責(zé)在它的對環(huán)境特性方面存在問題?，F(xiàn)在，作為制冷劑正在研討氟里昂以外的替代品，但是現(xiàn)在還沒有開發(fā)出通過壓縮、膨脹循環(huán)表示出與氟里昂同等或在其以上的熱傳輸特性的制冷劑材料。
另一方面，利用熱電現(xiàn)象的元件(熱電元件)是不用制冷劑實現(xiàn)冷卻的元件，不僅對環(huán)境特性方面十分優(yōu)越，而且因為不需要機(jī)械的構(gòu)造所以具有能夠?qū)崿F(xiàn)免除維護(hù)等的卓越的特性。作為這種熱電元件，帕耳帖(peltier)元件是代表性的。但是，在現(xiàn)在的技術(shù)中效率低，除了一部分例外之外，不能夠應(yīng)用于電冰箱和空調(diào)等中。例如，當(dāng)使用制冷劑時，電冰箱等的使用溫度(例如，-25℃～25℃的范圍)中的卡諾效率大約在30％～50％的范圍內(nèi)，但是帕耳帖元件的效率卻不到10％。此外，帕耳帖元件以外的有希望的電熱元件還沒有開發(fā)出來。
因此，人們正在尋求可以不用氟里昂等制冷劑進(jìn)行熱傳輸?shù)?，并且與已有的熱電元件不同的熱開關(guān)元件。
此外，也能夠通過將熱開關(guān)元件與熱傳導(dǎo)體、絕熱體、發(fā)熱體等組合起來，實現(xiàn)具有與電路元件類似的構(gòu)造、功能等的熱固體電路元件。為了控制熱的傳輸，需要對傳輸熱的電子進(jìn)行能動的控制。但是，在已有的熱電元件中，能動的電子控制是困難的。例如，可以將熱電現(xiàn)象考慮為在材料中伴隨著漂移傳導(dǎo)電子產(chǎn)生的熱移動的現(xiàn)象。對于熱電元件的特性(熱電特性)來說，一般使用熱電指數(shù)ZT來表示，ZT越大元件的效率越高。熱電指數(shù)ZT是由公式S2T/κρ(S熱電能、T絕對溫度、κ熱傳導(dǎo)率、ρ電阻率)所表示的值，表示元件中的電子的傳輸特性對熱電特性具有很大的貢獻(xiàn)。從而，我們要考慮元件中的電子密度等對元件的熱電特性給予的影響，但是在帕耳帖元件等已有的電熱元件中要能動地控制電子的傳輸特性是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于這種狀況提出的，本發(fā)明的目的在于提供一種通過具有與已有完全不同的構(gòu)成，能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件及其制造方法。
本發(fā)明的熱開關(guān)元件是包含第一電極、第二電極以及配置在上述第一電極和上述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體，上述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量來進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料，通過將上述能量施加到上述轉(zhuǎn)變體上，來使上述第一電極和上述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化的元件。
下面，本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法是該熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極、配置在上述第一電極和上述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體、以及配置在上述轉(zhuǎn)變體和上述第二電極之間的絕緣體，上述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料，上述絕緣體是真空，通過將上述能量施加到上述轉(zhuǎn)變體上，來使上述第一電極和上述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化的熱開關(guān)元件的制造方法，包含(I)通過以面對上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體的方式將包含轉(zhuǎn)變體以及第一電極的層積體和第二電極配置在預(yù)定的間隔上，在上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體之間形成空間的步驟、和(II)通過使上述空間保持真空，在上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體之間形成絕緣體的步驟。
本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法也可以說是這樣的熱開關(guān)元件的制造方法，其中，在上述本發(fā)明的熱開關(guān)元件中，還包含絕緣體，將上述絕緣體配置在上述轉(zhuǎn)變體和上述第二電極之間，上述絕緣體是真空。
此外，本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法是這樣的熱開關(guān)元件的制造方法，其中，所述熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極、配置在上述第一電極和上述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體、以及配置在上述轉(zhuǎn)變體和上述第二電極之間的絕緣體，上述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量來進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料，上述絕緣體是真空，通過將上述能量施加到上述轉(zhuǎn)變體上，使上述第一電極和上述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，所述熱開關(guān)元件的制造方法還可以包含(i)通過以面對上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體的方式將轉(zhuǎn)變體和第二電極配置在預(yù)定的間隔上，而在上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體的之間形成空間的步驟、(ii)通過使上述空間保持真空，而在上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體的之間形成絕緣體的步驟、和(iii)以將上述轉(zhuǎn)變體配置在上述第二電極和第一電極之間的方式，來配置上述第一電極的步驟。
此外，本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法是這樣一種熱開關(guān)元件的制造方法，其中，該熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極、配置在上述第一電極和上述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體、以及配置在上述轉(zhuǎn)變體和上述第二電極之間的絕緣體，上述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料，上述絕緣體是真空，通過將上述能量施加到上述轉(zhuǎn)變體上，來使上述第一電極和上述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，上述熱開關(guān)元件的制造方法，包含，(A)以第一電極、轉(zhuǎn)變體、包含比上述轉(zhuǎn)變體更容易力學(xué)地破壞的材料的中間體和第二電極的順序，形成包含它們的層積體的步驟、(B)通過在上述層積體的層積方向伸長上述層積體來破壞上述中間體，通過除去上述破壞了的中間體，而在上述轉(zhuǎn)變體和上述第二電極之間形成空間的步驟、和(C)通過將上述空間保持真空，而在上述第二電極和上述轉(zhuǎn)變體之間形成絕緣體的步驟。


圖1A和圖1B是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的一個例子的模式圖。
圖2是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的另一個例子的模式截面圖。
圖3是表示能夠用于本發(fā)明的熱開關(guān)元件的絕緣體的構(gòu)造的一個例子的模式圖。
圖4是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子的模式圖。
圖5是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的一個例子的模式圖。
圖6是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子的模式圖。
圖7A和7B是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的另一個例子的模式圖。
圖8A和圖8B是表示能夠用于本發(fā)明的熱開關(guān)元件的磁通量引導(dǎo)器的一個例子的模式圖。
圖9是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖10A和10B是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖11是表示能夠用于本發(fā)明的熱開關(guān)元件的磁通量引導(dǎo)器的另一個例子的模式圖。
圖12A和12B是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖13是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖14A和14B是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖15是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖16是表示在本發(fā)明的熱開關(guān)元件上施加能量的方法的又一個別的例子的模式圖。
圖17是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法的一個例子的模式圖。
圖18A～18D是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法的另一個例子的模式工序圖。
圖19是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子的模式圖。
圖20A～20E是表示圖19所示的熱開關(guān)元件的制造方法的一個例子的模式工序圖。
圖21是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子的模式圖。
圖22是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子的模式圖。
圖23是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子、和在上述一個例子中的能量的施加方法的一個例子的模式圖。
圖24是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子的模式圖。
具體實施例方式
下面，在參照附圖的同時對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。其中，在下面的實施方式中，在相同的部分上標(biāo)注相同的標(biāo)號，并省略對它們的重復(fù)說明。
圖1A和圖1B表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的一個例子。圖1A和圖1B所示的熱開關(guān)元件1包含電極2a、電極2b、以及配置在電極2a和電極2b之間的轉(zhuǎn)變體3。轉(zhuǎn)變體3包含通過施加能量進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料(以下，簡單地稱為“相轉(zhuǎn)變材料”)，通過將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上，使電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化。轉(zhuǎn)變體3是傳導(dǎo)熱的介質(zhì)，并且擔(dān)當(dāng)著控制熱傳輸?shù)目刂企w的作用。根據(jù)這種構(gòu)成，能夠形成通過施加能量而能夠控制熱傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件1。此外，在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，能夠不用氟里昂等的制冷劑控制熱傳輸。而且，與作為現(xiàn)有的電熱元件的帕耳帖元件的情形相比，可以提高效率，也可以減少作為組成本發(fā)明的熱開關(guān)元件的熱器件整體的能量消耗量。其中，圖1A是由圖1B所示的平面A切斷圖1B所示的熱開關(guān)元件1的模式截面圖。
在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，對伴隨著將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上的熱傳導(dǎo)率的變化形態(tài)并沒有特別的限定。例如，既可以形成通過將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上，使熱比施加上述能量前更容易經(jīng)過一對電極2a和電極2b之間移動的狀態(tài)，也可以形成使熱難以移動的狀態(tài)。換句話說，當(dāng)將熱相對容易地經(jīng)過熱開關(guān)元件1中的電極2a和電極2b之間移動的狀態(tài)(即，轉(zhuǎn)變體3內(nèi)部的熱移動相對容易的狀態(tài))作為ON(接通)狀態(tài)，將熱相對地難以經(jīng)過電極2a和電極2b之間移動的狀態(tài)(即，轉(zhuǎn)變體3內(nèi)部的熱移動相對困難的狀態(tài))作為OFF(斷開)狀態(tài)時，通過將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上，則既可以使熱開關(guān)元件1成為ON狀態(tài)，也可以使熱開關(guān)元件1成為OFF狀態(tài)。其中，在上述的OFF狀態(tài)中，最好使上述熱傳導(dǎo)率盡可能地小。此外，伴隨將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率變化既可以是線性的，也可以是非線性的。例如，既可以存在使熱傳導(dǎo)率的變化的施加能量的閾值，也可以對于在轉(zhuǎn)變體3上施加的能量，熱傳導(dǎo)率的變化具有滯后現(xiàn)象。這些熱傳導(dǎo)率的變化的形態(tài)，例如，能夠通過選擇轉(zhuǎn)變體3包含的相轉(zhuǎn)變材料進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，在本說明書中，將上述熱移動相對容易的狀態(tài)作為熱開關(guān)元件中的ON狀態(tài)，上述熱移動相對困難的狀態(tài)作為熱開關(guān)元件的OFF狀態(tài)。
這里，所謂的電子相轉(zhuǎn)變指的是與有無構(gòu)造相轉(zhuǎn)變(例如，從固體到液體的變化等物質(zhì)構(gòu)造本身發(fā)生變化的相轉(zhuǎn)變)無關(guān)物質(zhì)中的電子狀態(tài)發(fā)生變化的相轉(zhuǎn)變。因此，轉(zhuǎn)變體3也可以說包含通過施加能量使電子狀態(tài)發(fā)生變化的材料。在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，能夠通過轉(zhuǎn)變體3內(nèi)的電子狀態(tài)的變化來控制熱的傳輸。
一般，固體物質(zhì)的熱傳導(dǎo)由聲子貢獻(xiàn)的成分和電子傳導(dǎo)貢獻(xiàn)的成分之和來表示。對于聲子貢獻(xiàn)的成分來說，是能夠稱為由物質(zhì)的晶格振動而引起傳導(dǎo)的熱成分，也可以將該傳導(dǎo)的容易性稱為晶格熱傳導(dǎo)率。對于電子傳導(dǎo)貢獻(xiàn)的成分來說，是能夠稱為由物質(zhì)中包含的電子移動而引起傳導(dǎo)的熱成分，也可以將該傳導(dǎo)的容易性稱為電子熱傳導(dǎo)率。因為電子相轉(zhuǎn)變是伴隨著物質(zhì)中的電子狀態(tài)的變化的相轉(zhuǎn)變，所以本發(fā)明的熱開關(guān)元件1能夠稱為是通過施加能量而至少使轉(zhuǎn)變體3內(nèi)的電子熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化的元件。通過這些伴隨著施加能量的轉(zhuǎn)變體3的電子熱傳導(dǎo)率的變化，而能夠控制電極2a和電極2b之間的熱傳輸。
作為這種電子相轉(zhuǎn)變的一個例子，可以舉出絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。即，在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，也可以通過施加能量而使轉(zhuǎn)變體3進(jìn)行絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變到金屬狀態(tài)的轉(zhuǎn)變體3不一定需要其整體都是金屬相，轉(zhuǎn)變體3可以部分地包含金屬相。從作為熱開關(guān)元件的特性的觀點出發(fā)，當(dāng)進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變時，最好使轉(zhuǎn)變體3處于絕緣體狀態(tài)時的熱傳導(dǎo)率盡可能地小。換句話說，最好使轉(zhuǎn)變體3的晶格熱傳導(dǎo)率盡可能地小。其中，即便在轉(zhuǎn)變體3進(jìn)行絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變換的情形中，也同樣地最好使轉(zhuǎn)變體3的晶格熱傳導(dǎo)率盡可能地小。
這樣，在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，通過在轉(zhuǎn)變體3上施加能量，而能夠控制經(jīng)過電子的熱傳輸。這時，考慮控制經(jīng)過熱電子的熱傳輸。換句話說，在使熱相對容易地經(jīng)過電極2a和電極2b之間移動的狀態(tài)(使熱相對容易地經(jīng)過轉(zhuǎn)變體3移動的狀態(tài)ON狀態(tài))中，可以說轉(zhuǎn)變體3處于熱電子相對容易地移動的狀態(tài)。在使熱相對地難以經(jīng)過電極2a和電極2b之間移動的狀態(tài)(使熱相對地難以經(jīng)過轉(zhuǎn)變體3移動的狀態(tài)OFF狀態(tài))中，可以說轉(zhuǎn)變體3處于熱電子移動相對困難的狀態(tài)。我們認(rèn)為在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，這種熱電子移動狀態(tài)的變化是由伴隨著將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上的電子相轉(zhuǎn)變而引起的。
這里，所謂的熱電子指的是“伴隨著熱移動的電子”。一般，在很多情形中將熱電子稱為當(dāng)加熱金屬和半導(dǎo)體時從其表面飛出的電子。在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中通過轉(zhuǎn)變體3傳輸?shù)碾娮硬幌薅ㄓ谏鲜鲆话闼^的熱電子，可以是伴隨著熱移動的電子。本發(fā)明的熱開關(guān)元件是首次通過將施加能量控制熱傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變體配置在電極間和用于轉(zhuǎn)變體等的各層的材料的組合、各層的構(gòu)成、配置等可以實現(xiàn)的元件。
從而，例如，我們考慮到JP-01(1989)-216582A所示的那種超導(dǎo)開關(guān)和本發(fā)明的熱開關(guān)元件的構(gòu)成完全不同。JP-01(1989)-216582A所示的超導(dǎo)的狀態(tài)在物理上與超流動狀態(tài)類似，具有理想的熱絕緣性質(zhì)。因此，我們認(rèn)為在上述引用的例子中揭示的超導(dǎo)開關(guān)中，要進(jìn)行在本發(fā)明的熱開關(guān)元件中可能的熱傳輸控制是困難的。與此相反，在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中的轉(zhuǎn)變體3處于電子移動相對容易的狀態(tài)中，可以是通常傳導(dǎo)，即不是超導(dǎo)的狀態(tài)。
在本發(fā)明的熱開關(guān)元件1中，對施加在轉(zhuǎn)變體3上的能量沒有特別的限定。例如，可以施加從電能、光能、力學(xué)能、磁能和熱能選出的至少一種能量?？梢耘c轉(zhuǎn)變體3中包含的相轉(zhuǎn)變材料的種類相應(yīng)地適當(dāng)選擇使用哪種能量。其中，既可以在轉(zhuǎn)變體3上施加多種能量，也可以在這種情形中同時施加上述多種能量，需要時也可以設(shè)置順序地施加每一種能量。例如，也可以在將電能施加到轉(zhuǎn)變體3上后，再施加光能、力學(xué)能等的能量。對施加各個能量的方法沒有特別的限定。
在轉(zhuǎn)變體3上施加電能，例如，也可以通過將電子或者空穴(hole)注入到轉(zhuǎn)變體3來進(jìn)行。此外，也可以通過在轉(zhuǎn)變體3中感應(yīng)出電子或者空穴來進(jìn)行。在轉(zhuǎn)變體3中注入或者感應(yīng)出電子或空穴，例如，可以通過在電極2a和電極2b之間生成電壓差來進(jìn)行，更具體地說，例如，可以通過在電極2a和電極2b之間施加電壓來進(jìn)行。關(guān)于其它的施加電能時的更具體的構(gòu)成例，施加其它能量時的構(gòu)成例等將在后面述說。
對熱開關(guān)元件1的形狀、尺寸等沒有特別的限定，可以與作為熱開關(guān)元件1需要的特性相應(yīng)地任意設(shè)定。例如，如圖1A和圖1B所示，也可以具有層積層狀的電極2a、轉(zhuǎn)變體3和電極2b的構(gòu)造。在具有這種層積構(gòu)造的情形中，熱開關(guān)元件1的元件面積，例如，在1×102nm2～1×102cm2的范圍內(nèi)。其中，元件面積是從各層的層積方向(例如，圖1B所示的箭頭B的方向)觀看元件時的面積。
現(xiàn)在，說明熱開關(guān)元件1中的轉(zhuǎn)變體3。轉(zhuǎn)變體3，例如，作為相轉(zhuǎn)變的材料可以包含下面所示的材料。
轉(zhuǎn)變體3，例如，也可以包含具有由式AxDyOz所表示的組成的氧化物。這里，A是從堿金屬(Ia族)、堿土類金屬(IIa族)、Sc、Y和稀土類元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er)選出的至少一種的元素，D是從IIIa族、IVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族和Ib族選出的至少一種的遷移元素(本發(fā)明的說明書中的元素的族表示是根據(jù)IUPAC(1970)進(jìn)行的。如果根據(jù)IUPAC(1970)進(jìn)行族表示，則上述遷移元素成為從3族、4族、5族、6族、7族、8族、9族、10族和11族選出的至少一種的遷移元素)。O是氧。上述氧化物一般具有結(jié)晶構(gòu)造，具有基本上元素D進(jìn)入對應(yīng)的結(jié)晶格子的單位胞中的中心位置，多個氧原子圍在處于中心位置的原子周圍的構(gòu)造。
x、y、z只要是正數(shù)就沒有特別的限定。其中，最好具有滿足下面所示的組合的數(shù)值，通過該組合能夠?qū)⑸鲜鲅趸锓殖啥鄠€類別。轉(zhuǎn)變體3也可以包含屬于下面所示的各類別的氧化物。在屬于各類別的氧化物中的x、y和z的值不一定需要是完全滿足下面所示值(包含例示)，例如，也可以是缺損一部分氧的的氧化物，也可以少量摻雜元素A和元素D以外的元素(例如，IIa～Vb族元素等)。此外，下面所示的類別在本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域中作為技術(shù)常識不是固定的，是為了容易了解氧化物的說明，為了方便而設(shè)定的類別。
-類別1-x、y和z是滿足x＝n+2、y＝n+1和z＝3n+4的數(shù)值。這里，n為0、1、2、或3。
在屬于該類別的氧化物中，可以舉出，例如，Sr2RuO4和(La，Sr)2CoO4等的xyz指數(shù)為(214)的氧化物、Sr3Ru2O7和(La，Sr)3Mn2O7等的xyz指數(shù)為(327)的氧化物。這些氧化物是表示所謂的Ruddlesden-Popper構(gòu)造的氧化物。
此外，當(dāng)n＝0時，在本類別的氧化物中，也可以包含將元素D配置在元素A的位置上，和/或，將元素A配置在元素D的位置上的氧化物。例如，也可以包含具有由式DxAyOz表示的組成的氧化物和具有由式DxDyOz表示的組成的氧化物等。更具體地說，例如，也可以包含具有Mg2TiO4、Cr2MgO4、Al2MgO4(xyz指數(shù)為(214))等的尖晶石型構(gòu)造的氧化物、Fe2CoO4、Fe2FeO4(即，F(xiàn)e3O4)等的不包含元素A的氧化物(xyz指數(shù)為(214))等。
-類別2-x、y和z是滿足x＝n+1、y＝n+1和z＝3n+5的數(shù)值。這里，n為1、2、3或4。在屬于該類別的氧化物中，可以舉出，例如，部分地具有氧的嵌入(intercalation)氧化物。
-類別3-x、y和z是滿足x＝n、y＝n和z＝3n的數(shù)值。這里，n為1、2或3。在屬于該類別的氧化物中，當(dāng)n＝1時，可以舉出，例如，具有SrTiO3、BaTiO3、KNbO3、LiNbO3、SrMnO3、SrRuO3等的鈣鈦礦(perovskite)型結(jié)構(gòu)的氧化物。此外，當(dāng)n＝2時，可以舉出，例如，Sr2FeMoO6、SmBaMn2O6等的xyz指數(shù)為(226)的氧化物。
-類別4-x、y和z是滿足x＝n+1、y＝n和z＝4n+1的數(shù)值。這里，n為1或2。在屬于該類別的氧化物中，當(dāng)n＝1時，可以舉出，例如，Al2TiO5、Y2MoO5等的xyz指數(shù)為(215)的氧化物。此外，當(dāng)n＝2時，可以舉出，例如，SrBi2Ta2O9等的氧化物。
-類別5-x、y和z是滿足x＝0或1、y＝0或1、z＝1的數(shù)值。這里，從x和y選出的某一方為0。在屬于該類別的氧化物中，可以舉出，例如，BeO、MgO、BaO、CaO、NiO、MnO、CoO、CuO、ZnO等。
-類別6-x和y是滿足x＝0、1或2、y＝0、1或2的數(shù)值。這里，從x和y選出的某一方為0，z為當(dāng)x為0時，在y的值上加上1的值，當(dāng)y為0時，在x的值上加上1的值。在屬于該類別的氧化物中，可以舉出，例如，TiO2、VO2、MnO2、GeO2、CeO2、PrO2、SnO2、Al2O3、V2O3、Ce2O3、Nd2O3、Ti2O3、Sc2O3、La2O3等。
-其它類別-例如，當(dāng)x＝0或2、y＝0或2和z＝5時，可以舉出Nb2O5、V2O5、Ta2O5等的氧化物。但是，從x和y選出的某一方為0。
轉(zhuǎn)變體3也可以包含多類上述氧化物。例如，也可以包含具有在同一類別中將n值不同的氧化物的構(gòu)造單位胞和小單位胞組合起來的超晶格的氧化物。作為具體的類別，可以舉出，例如，上述的類別1(表示Ruddlesden-Popper型構(gòu)造的氧化物)和類別2(具有氧化的氧化物)等。具有這種超晶格的氧化物，例如，單獨或多個元素D的氧八面體層，具有由包含元素A和氧的一個以上的塊層分離的晶格構(gòu)造。
此外，轉(zhuǎn)變體3也可以包含強(qiáng)相關(guān)電子系材料。例如，也可以包含模式絕緣體。
此外，轉(zhuǎn)變體3也可以包含磁性半導(dǎo)體。在構(gòu)成磁性半導(dǎo)體的母材的半導(dǎo)體中，例如，可以用化合物半導(dǎo)體。具體地說，例如，可以將GaAs、GaSe、AlAs、InAs、AlP、AlSb、GaP、GaSb、InP、InSb、In2Te3、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdSe、CdTe、CdSb、HgS、HgSe、HgTe、SiC、GeSe、PbS、Bi2Te3、Sb2Se3、Mg2Si、Mn2Sn、Mg3Sb2、TiO2、CuInSe2、CuHgIn4、ZnIn2Se4、CdSnAs2、AgInTe2、AgSbSe2、GaN、AlN、GaAlN、BN、AlBN、GaInNAs等的I-V族、I-VI族、II-IV族、II-V族、II-VI族、III-V族、III-VI族、IV-IV族、I-III-VI族、I-V-VI族、II-III-VI族、II-IV-V族化合物半導(dǎo)體用作母材，在這些化合物半導(dǎo)體中加上從Iva族～VIII族和IVb族選出的至少一種元素的磁性半導(dǎo)體。
或者，也可以用具有由式Q1Q2Q3表示的組成的磁性半導(dǎo)體。這里，Q1是從Sc、Y和稀土類元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er)、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Ni和Zn選出的至少一種的元素，Q2是從V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni選出的至少一種的元素。Q3是從C、N、O、F和S選出的至少一種的元素。元素Q1、元素Q2和元素Q3的組成比沒有特別的限定。
或者，也可以用具有由式R1R2R3表示的組成的磁性半導(dǎo)體。這里，R1是從B、Al、Ga和In選出的至少一種的元素，R2是從N和P選出的至少一種的元素。R3是從IVa族～VIII族和IVb族選出的至少一種的元素。元素R1、元素R2和元素R3的組成比沒有特別的限定。
或者，也可以用具有由式ZnOR3表示的組成的磁性半導(dǎo)體。這里，R3是上述的元素R3，Zn是鋅，O是氧。Zn、O和元素R3的組成比沒有特別的限定。
或者，也可以用具有由式TOR3表示的組成的磁性半導(dǎo)體。這里，T是從Ti、Zr、V、Nb、Fe、Ni、Al、In和Sn選出的至少一種的元素，R3是上述的元素R3，O是氧。元素T、O和元素R3的組成比沒有特別的限定。
此外，轉(zhuǎn)變體3也可以包含由從外部給予的電場進(jìn)行磁性-強(qiáng)磁性轉(zhuǎn)變的材料。例如，可以用La(Fe，Si)和FeRh等。這時，能夠通過在轉(zhuǎn)變體3上施加電能來進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變。
此外，當(dāng)通過在轉(zhuǎn)變體3上施加熱能進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變時，例如，也可以包含GaSb、InSb、InSe、Sb2Te3、GeTe、Ge2Sb2Te5、InSbTe、GeSeTe、SnSb2Te4、InSbGe、AgInSbTe、(Ge，Sn)SbTe、GeSb(Se，Te)、Te81Ge15Sb2S2等。
對轉(zhuǎn)變體的形狀、尺寸等沒有特別的限定，可以與作為熱開關(guān)元件1需要的特性相應(yīng)地任意設(shè)定。在如圖1A和圖1B所示為層狀的轉(zhuǎn)變體3的情形中，轉(zhuǎn)變體3的厚度。例如，在0.3nm～100μm的范圍內(nèi)。最好是在0.3nm～1μm的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)變體3的面積(例如，從圖1B所示的箭頭B的方向看的面積)可以與作為熱開關(guān)元件1需要的元件面積相應(yīng)地任意設(shè)定。此外，轉(zhuǎn)變體3，也可以層積多個層，各層的厚度、所含材料等可以與作為轉(zhuǎn)變體3需要的特性相應(yīng)地任意設(shè)定。
用于電極2a和2b的材料如果是具有導(dǎo)電性的材料則沒有特別的限定。例如，可以用線電阻率在100μΩcm以下的材料，具體地說例如，可以用Cu、Al、Ag、Au、Pt、TiN等。此外，需要時也可以用半導(dǎo)體材料。當(dāng)用半導(dǎo)體材料時，功函數(shù)小的材料是令人滿意的。此外，電極2a和2b的形狀、尺寸等也沒有特別的限定，可以與作為熱開關(guān)元件1需要的特性相應(yīng)地任意設(shè)定。
下面，說明本發(fā)明的熱開關(guān)元件的構(gòu)成例。
圖2是表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的另一個例子的模式截面圖。
圖2所示的熱開關(guān)元件1對于圖1A和圖1B所示的熱開關(guān)元件1進(jìn)一步包含絕緣體4，將絕緣體4配置在轉(zhuǎn)變體3和電極2b之間。在這種熱開關(guān)元件1中，因為絕緣體4的熱傳導(dǎo)性小，所以當(dāng)轉(zhuǎn)變體3處于OFF狀態(tài)時，能夠使作為熱開關(guān)元件1整體的熱傳導(dǎo)性進(jìn)一步減小。此外，如后面所述，通過配置絕緣體4，也能夠作為從一方電極到另一方電極傳導(dǎo)熱的冷卻元件。
絕緣體4的熱傳導(dǎo)率比OFF狀態(tài)中的轉(zhuǎn)變體3(例如，如果是進(jìn)行絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變體3，則是絕緣體狀態(tài)中的轉(zhuǎn)變體3)的熱傳導(dǎo)率性小是令人滿意的。能夠形成效率更高的熱開關(guān)元件1。
考慮如圖2所示在配置了絕緣體4的熱開關(guān)元件1中，經(jīng)過電極2a和電極2b之間傳導(dǎo)的電子(熱電子)感應(yīng)的間隙電位伴隨著轉(zhuǎn)變體3的電子相轉(zhuǎn)變發(fā)生大的變化的情形。例如，在熱移動相對容易的ON狀態(tài)(例如，如果是進(jìn)行絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變體3，則處于包含金屬相的狀態(tài))中，熱電子從面對轉(zhuǎn)變體3中的絕緣體4的端部經(jīng)過絕緣體4傳導(dǎo)到電極2b。從確保這時的熱電子傳導(dǎo)的觀點出發(fā)，絕緣體4的厚度，例如，可以在50nm以下的范圍內(nèi)，進(jìn)一步從熱的傳輸效率的觀點出發(fā)，最好在15nm以下的范圍內(nèi)。其中，對絕緣體4的厚度的下限沒有特別的限定，例如，可以在0.3nm以上即可。其中，對絕緣體4的形狀沒有特別的限定，可以與轉(zhuǎn)變體3和電極2b等的形狀相應(yīng)任意地設(shè)定。
在配置了絕緣體4的熱開關(guān)元件1中，熱電子越過絕緣體4從電極2a(或者從轉(zhuǎn)變體3)傳輸?shù)诫姌O2b。這時，我們認(rèn)為熱電子通過隧道傳輸和彈道傳輸，所謂的熱離子的(thermionic)傳輸?shù)冉?jīng)過絕緣體4，而傳輸?shù)诫姌O2b。傳輸?shù)姆椒ㄅc用于絕緣體4的材料、絕緣體4的厚度(即，上述的間隙電位)等有關(guān)而不同。換句話說，例如，通過控制用于絕緣體4的材料和絕緣體4的厚度，也可以控制傳輸?shù)姆椒ā?br> 作為絕緣體4，例如，也可以使用真空。當(dāng)作為絕緣體4使用真空時，能夠使元件的構(gòu)成簡單化。我們將在后面敘述作為絕緣體4使用真空的熱開關(guān)元件的作成方法。此外，所謂的真空可以是，例如，約1Pa以下壓力的氣氛。此外，當(dāng)作為絕緣體4使用真空時，可以認(rèn)為基本上熱離子的傳輸熱電子。與絕緣體4的厚度有關(guān)，也可以考慮存在著隧道傳輸?shù)臒犭娮印?br> 此外，作為絕緣體4，例如，也可以用氧化物等的陶瓷和樹脂等的一般的固體狀絕緣材料。這時，作為絕緣體4，使用處于非晶形或微晶狀態(tài)的絕緣體是令人滿意的。其中，本說明書中的微晶狀態(tài)指的是平均晶體直徑在10nm以下的晶粒分散在非晶形的基體中的狀態(tài)。當(dāng)使用固體狀的絕緣體時，形成絕緣體4作為隧道絕緣體是令人滿意的。當(dāng)絕緣體4是隧道絕緣體時，使傳輸熱的熱電子隧道傳輸經(jīng)過絕緣體4。為了形成隧道絕緣體，例如，一般可以用具有隧道絕緣性的材料。更具體地說，例如，可以用Al、Mg等的氧化物、氮化物、氧氮化物等。作為隧道絕緣體時的絕緣體4的厚度，例如，在0.5nm～50nm的范圍內(nèi)，最好是在1nm～20nm的范圍內(nèi)。
此外，作為絕緣體4，例如，也可以用無機(jī)高分子材料。作為無機(jī)高分子材料，例如，也可以用硅酸鹽材料和鋁硅酸鹽材料等。在圖3中表示了無機(jī)高分子材料的構(gòu)造的一個例子。如圖3所示，硅酸鹽材料和鋁硅酸鹽材料等的無機(jī)高分子材料具有多孔質(zhì)的構(gòu)造，一面是固體，一面是在其內(nèi)部具有無數(shù)的中空區(qū)域5。因為中空區(qū)域5的平均直徑比空氣的平均自由工程的距離小，在中空區(qū)域5的內(nèi)部中的氣體的遷移率實質(zhì)上很小，所以無機(jī)高分子材料難以傳輸熱。因此，也可以原封不動地用作絕緣體4，但是例如，通過在中空區(qū)域5中充填熱傳導(dǎo)率小的氣體或者使中空區(qū)域5形成真空，能夠形成熱傳導(dǎo)率更小的絕緣體4。
現(xiàn)在，更詳細(xì)地說明圖3所示的無機(jī)高分子材料。圖3所示的無機(jī)高分子材料包含形成整體的骨格的母材6。母材6是平均粒徑約為數(shù)nm的粒子，通過形成三維的網(wǎng)格而形成多孔質(zhì)構(gòu)造的骨格。無機(jī)高分子材料，一面使用由母材6形成的骨格而保持作為固體的形狀，一面包含無數(shù)的平均直徑約為數(shù)nm～數(shù)十nm的連續(xù)的中空區(qū)域5。如圖2所示那樣配置由這種多孔質(zhì)構(gòu)造構(gòu)成的絕緣體4，當(dāng)轉(zhuǎn)變體3處于ON狀態(tài)時，在電極2a和電極2b之間施加電壓時(通過在電極2a和電極2b之間施加電壓而也可以使轉(zhuǎn)變體3處于ON狀態(tài))，電場集中在由母材6形成的骨格部分。通過該電場的集中，而能夠高效率地從電極或者轉(zhuǎn)變體將熱電子供給到絕緣體4的內(nèi)部，將供給的熱電子發(fā)射傳導(dǎo)到絕緣體4的內(nèi)部。認(rèn)為這時的熱電子傳導(dǎo)主要是通過彈道的傳輸進(jìn)行的。這種電場集中的效果是通過使絕緣體4形成圖3所示的多空質(zhì)構(gòu)造而變得顯著的效果，與絕緣體4沒有圖3所示的多空質(zhì)構(gòu)造的情形比較，能夠降低為了傳輸熱電子而施加在電極2a和電極2b之間的電壓。
其中，在圖3所示的無機(jī)高分子材料中，要考慮供給的一部分熱電子被形成多孔質(zhì)構(gòu)造的母材6等的固相區(qū)域所散射，失去能量。但是，由于固相區(qū)域大小的平均數(shù)約為nm，所以認(rèn)為能夠?qū)⒐┙o的多數(shù)熱電子用于熱的傳輸。
此外，圖3所示的無機(jī)高分子材料進(jìn)一步包含具有與中空區(qū)域5的平均直徑同程度或者在其以下的平均粒徑的電子發(fā)射材料7，以與母材6連接的方式將電子發(fā)射材料7分散配置在無機(jī)高分子材料中。在這樣包含電子發(fā)射材料7的無機(jī)高分子材料中，即便一部分熱電子被上述固相區(qū)域所散射，通過將散射的熱電子傳輸?shù)诫娮影l(fā)射材料7進(jìn)行再發(fā)射，而能夠再次擔(dān)當(dāng)起熱的傳輸。關(guān)于再發(fā)射熱電子被固相區(qū)域再次散射的情形也是同樣的。因此，能夠形成效率更高的熱開關(guān)元件。電子發(fā)射材料7最好是功函數(shù)小的材料，具體地說，例如，最好用碳材料、Cs化合物、堿土類金屬化合物等，它的平均粒徑在約數(shù)nm～數(shù)十nm的范圍內(nèi)。此外，圖3中所示的“e-”表示再發(fā)射電子的狀態(tài)。
作為絕緣體4，不限定于上述無機(jī)高分子材料，也可以用具有同樣的中空區(qū)域，例如，連續(xù)的空孔或獨立的空孔的絕緣材料。能夠得到與用上述無機(jī)高分子材料的情形同樣的效果。這種絕緣材料能夠用在形成成為母材的粉體后進(jìn)行粉體燒結(jié)的方法和化學(xué)發(fā)泡、物理發(fā)泡、溶膠凝膠法等的方法形而成。但是，最好具有無數(shù)的平均粒徑在約數(shù)nm～數(shù)十nm的空孔。此外，與無機(jī)高分子材料同樣，也可以包含電子發(fā)射材料。能夠得到與無機(jī)高分子材料的情形同樣的效果。
具體地說，例如，也可以用溶膠凝膠法作成的干燥凝膠。上述干燥凝膠是具有由平均粒徑在約數(shù)nm～數(shù)十nm范圍的粒子構(gòu)成的骨格部分和平均直徑在約100nm以下的連續(xù)的中空區(qū)域的毫微米多孔質(zhì)體。作為凝膠的材料，例如，從高效率地集中上述電場的觀點出發(fā)，半導(dǎo)體材料或者絕緣材料是令人滿意的，其中，最好用硅石(氧化硅)。關(guān)于作為用硅石的干燥凝膠的多孔質(zhì)硅石凝膠的制作方法在后面述說。
圖4表示本發(fā)明的熱開關(guān)元件的又一個別的例子。圖4所示的熱開關(guān)元件1對于圖2所示的熱開關(guān)元件進(jìn)一步包含電極8，并將電極8配置在轉(zhuǎn)變體3和絕緣體4之間。通過這種構(gòu)成，而能夠形成效率更高的熱開關(guān)元件1。
用于圖8的材料可以與用于上述電極2a和電極2b的材料同樣。其中，對真空能級的功函數(shù)小(例如，2eV以下)的材料是令人滿意的。具體地說，例如，可以用Cs化合物和堿土類金屬化合物等。當(dāng)用這種材料時，能夠更高效率地向絕緣體4供給熱電子。
電極8的形狀、尺寸等沒有特別的限定，可以與作為熱開關(guān)元件1需要的特性相應(yīng)地任意設(shè)定。例如，在是圖4所示的層狀的電極8的情形中，它的厚度，例如，在從亞毫微米量級到數(shù)μm的范圍內(nèi)。
此外，圖1、圖2和圖4所示的熱開關(guān)元件1中的各層之間，需要時也可以進(jìn)一步配置別的材料。
下面，說明將能量施加到本發(fā)明的熱開關(guān)元件中的轉(zhuǎn)變體的方法。
圖5是說明將電能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的一個例子的模式圖。如圖5所示，進(jìn)一步包含將能量施加到轉(zhuǎn)變體3的電極10和絕緣體9，通過將絕緣體9配置在轉(zhuǎn)變體3和電極10之間，而能夠?qū)㈦娔苁┘拥睫D(zhuǎn)變體3上。具體地說，例如，可以在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間施加電壓Vg。通過施加電壓Vg，例如，能夠在轉(zhuǎn)變體3中注入或感應(yīng)出電子或空穴，能夠在轉(zhuǎn)變體3上施加能量。注入或感應(yīng)出的電子能夠原封不動地作為熱電子而擔(dān)當(dāng)起熱的傳輸。
圖6表示包含圖5所示的構(gòu)造的熱開關(guān)元件的一個的例子。圖6所示的熱開關(guān)元件1，對于圖4所示的熱開關(guān)元件1，進(jìn)一步包含絕緣體9和電極10。以由轉(zhuǎn)變體3和電極10夾持絕緣體9的方式配置絕緣體9和電極10。此外，以不對電極2a和電極2b的電位給予影響的方式，具體地說，以使與施加電壓Vg的方向大致與在轉(zhuǎn)變體3內(nèi)部傳導(dǎo)熱電子的方向垂直的方式配置絕緣體9和電極10。在圖6所示的熱開關(guān)元件1中，通過在轉(zhuǎn)變體3和電極10之間施加電壓Vg，而能夠使轉(zhuǎn)變體3進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變。此外，在圖6所示的例子中，也可以在電極10和電極2a之間施加電壓Vg。其中，在本發(fā)明的熱開關(guān)元件中，對施加電壓Vg的方法并沒有特別的限定。例如，可以將不同配置的電壓施加單元和本發(fā)明的熱開關(guān)元件電連接起來。當(dāng)將本發(fā)明的熱開關(guān)元件裝入電路中時，電壓施加單元，例如，也可以包含上述電路。其它，只要能夠?qū)㈦娢徊罱o予在本發(fā)明的熱開關(guān)元件中要施加電壓的區(qū)域之間(例如，如果是圖6所示的例子，則在轉(zhuǎn)變體3和電極10之間)，就可以任意地設(shè)定施加電壓Vg的方法、構(gòu)成等。
用于電極10的材料，可以與用于上述電極2a和電極2b的材料相同。此外，用于絕緣體9的材料，如果是絕緣材料、半導(dǎo)體材料則沒有特別的限定。例如，可以用從包含Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta和Cr的IIa族～VIa族的元素、和包含鑭系(包含La、Ce)、Zn、B、Al、Ga和Si的IIb族～I(xiàn)Vb族的元素選出的至少一種的元素、和從F、O、C、N和B選出的至少一種的元素的化合物。具體地說，例如，可以用SiO2、Al2O3、MgO等，作為半導(dǎo)體，可以用ZnO、SrTiO3、LaAlO3、AlN、SiC等。
對絕緣體9的形狀、尺寸等沒有特別的限定，例如，在如圖6所示為層狀的情形中，其厚度處于例如從亞毫微米的量級到數(shù)μm的范圍內(nèi)。
圖7A和7B是用于說明將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的一個例子的模式圖。圖7A和7B所示的構(gòu)造與圖5所示的構(gòu)造相同，但是代替施加電壓Vg，能夠通過在電極10中流過電流11產(chǎn)生磁場12，將產(chǎn)生的磁場12導(dǎo)入轉(zhuǎn)變體3中來將能量施加到轉(zhuǎn)變體3上。其中，圖7A和7B所示的構(gòu)造是與圖1A同樣截斷的模式截面圖。
包含圖7A和7B所示的構(gòu)造的熱開關(guān)元件，例如，可以是具有圖6所示的構(gòu)造的熱開關(guān)元件1，代替施加電壓Vg，可以在電極10中流過電流，將產(chǎn)生的磁場導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中。通過在電極10中流過電流，而能夠使轉(zhuǎn)變體3電子相轉(zhuǎn)變。此外，也可以同時或設(shè)定順序地施加電壓Vg和在電極10中流過電流產(chǎn)生磁場導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中。能夠?qū)㈦娔芎痛拍軆烧呤┘拥睫D(zhuǎn)變體3上。其中，當(dāng)將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3上時，絕緣體9的厚度(也可以說是電極10和轉(zhuǎn)變體3的距離)處于例如數(shù)nm～數(shù)μm的范圍內(nèi)。此外，只要不使電極10和轉(zhuǎn)變體3電短路，也可以不一定配置絕緣體9。例如，也可以將電極10和轉(zhuǎn)變體3配置在離開約數(shù)nm～數(shù)μm的距離上。
當(dāng)將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3上時，也可以是使會聚在電極10上產(chǎn)生的磁場的磁通量引導(dǎo)器與電極10相接，或者，配置在電極10的近旁。通過配置磁通量引導(dǎo)器，能夠高效率地將磁場12導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中，形成更高效率的熱開關(guān)元件。
配置的磁通量引導(dǎo)器的形狀，只要能夠會聚在電極10上產(chǎn)生的磁場，就沒有特別的限定?？梢耘c作為熱開關(guān)元件需要的特性、制造過程上的要求等相應(yīng)地，任意地設(shè)定。例如，如圖8A所示，將磁通量引導(dǎo)器13和電極10組合起來時的截面既可以是矩形，也可以是如圖8B所示是臺形。如圖8B所示的例子那樣當(dāng)是臺形時，因為能夠在離開作為導(dǎo)入磁場的對象的轉(zhuǎn)變體3越近的位置流過越多的電流，所以能夠更高效率地將磁場導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中。其中，在圖8A和圖8B所示的例子中，形成使電極10與磁通量引導(dǎo)器13緊密接觸的形狀，但是不一定需要使兩者緊密接觸。但是，當(dāng)使兩者緊密接觸時，能夠高效率地將磁場導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中。此外，在圖8A和圖8B中，為了容易理解說明，省略了電極2a、電極2b等的圖示。在以后的圖中，也存在著同樣省略了電極2a、電極2b等的圖示的情形。當(dāng)實際用作熱開關(guān)元件時，可以將電極2a和電極2b，此外，在需要時將電極8、絕緣體4等配置在任意位置上。
用于磁通量引導(dǎo)器13的材料，只要能夠會聚在電極10上產(chǎn)生的磁場，就沒有特別的限定，例如可以用強(qiáng)磁性材料。更具體說，例如，可以用包含從Ni、Co和Fe選出的至少一種元素的軟磁性合金膜。
此外，用于磁通量引導(dǎo)器13的強(qiáng)磁性材料不具有過大的保磁力是令人滿意的。當(dāng)用具有過大的保磁力的強(qiáng)磁性材料作為磁通量引導(dǎo)器時，存在著由于磁通量引導(dǎo)器13自身的磁化保持降低了施加在轉(zhuǎn)變體3上的磁場的控制性，或者因為使磁通量引導(dǎo)器13自身的磁化方向發(fā)生變化需要多余的能量，而使作為熱開關(guān)元件的效率下降的可能性。
圖9表示將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的另一個例子。為了將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3上，也可以形成圖9所示的構(gòu)造。在圖9所示的例子中，以圍繞轉(zhuǎn)變體3的方式配置電極10，能夠在面對轉(zhuǎn)變體3的兩側(cè)面(圖9所示的側(cè)面C和側(cè)面D)的電極10中流過相位相反的電流。因此，能夠增強(qiáng)導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3的磁場，形成更高效率的熱開關(guān)元件。
圖10A和10B表示將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的又一個別的例子。在圖10A和10B所示的例子中，對于圖9所示的例子，進(jìn)一步配置磁通量引導(dǎo)器13。此外，只將磁通量引導(dǎo)器13配置在作為導(dǎo)入磁場的對象的轉(zhuǎn)變體3的近旁。這時，不會使磁通量引導(dǎo)器13具有的保磁力不必要地增大，能夠更高效率地將磁場導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中。其中，圖10B是在圖10A所示的C-D方向截斷圖10A的截面圖。
此外，為了將磁通量引導(dǎo)器13配置在轉(zhuǎn)變體3的近旁，如圖11所示，也可以分割磁通量引導(dǎo)器13來進(jìn)行配置。這時，能夠進(jìn)一步抑制磁通量引導(dǎo)器13具有的保磁力的增大，并且能夠更高效率地將磁場導(dǎo)入到轉(zhuǎn)變體3中。其中，圖11所示的例子除了磁通量引導(dǎo)器13以外與圖10A和10B所示的例子相同。
圖12A和12B表示將磁能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的又一個別的例子。在圖12A和12B所示的例子中，能夠更高效率地將磁場導(dǎo)入轉(zhuǎn)變體3。其中，轉(zhuǎn)變體3根據(jù)垂直方向的磁場進(jìn)行反應(yīng)的情形是令人滿意的。
圖13是表示將光能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的一個例子的模式圖。如圖13所示，為了將光能施加到轉(zhuǎn)變體3，可以將光14入射到轉(zhuǎn)變體3。當(dāng)將光14入射到轉(zhuǎn)變體3時，如圖14A所示，既可以將光14直接入射到轉(zhuǎn)變體3，也可以如圖14B所示經(jīng)過電極2a和/或電極2b將光14入射到轉(zhuǎn)變體3。
在經(jīng)過電極2a和/或電極2b將光14入射到轉(zhuǎn)變體3的情形中，光14入射的電極(在圖14B所示的例子中，電極2b)需要具有對光14的透過性。因此，可以與入射光的頻帶相應(yīng)地選擇用于上述電極的材料。當(dāng)入射光是可見光和/或紅外光時，可以將例如，ITO(IndiumTin Oxide(銦錫氧化物))和ZnO等用作電極材料。當(dāng)入射光為兆兆赫茲光時，可以將例如MgO等用作電極材料。此外，對光透過電極的程度，例如，電極的光透過率沒有特別的限定，可以與作為熱開關(guān)元件需要的特性相應(yīng)地任意設(shè)定。此外，將光入射到轉(zhuǎn)變體3的方法，只要能夠?qū)⒐馊肷涞睫D(zhuǎn)變體3就沒有特別的限定。例如，在圖4所示的熱開關(guān)元件1中，也將對入射到轉(zhuǎn)變體3的光具有透過性的材料用于電極8和絕緣體4，也可以從電極2b側(cè)入射光。
圖15是表示將熱能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的一個例子的模式圖。在圖15所示的例子中，將發(fā)熱體15配置在轉(zhuǎn)變體3和電極10之間，通過在電極10中流過電流在發(fā)熱體15中流過電流而使發(fā)熱體15發(fā)熱。通過這樣做，能夠?qū)崮苁┘拥睫D(zhuǎn)變體3?？梢詫⑼ㄟ^流過電流而發(fā)熱的材料，例如電阻體等用于發(fā)熱體15。此外，需要時也可以將其它層，例如，絕緣體配置在發(fā)熱體15和轉(zhuǎn)變體3之間。
此外，不限于圖15所示的例子，對將熱能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法沒有特別的限定。例如，也可以通過將光或電波照射在圖10所示的發(fā)熱體上而使其發(fā)熱，將熱能施加到轉(zhuǎn)變體3上。此外，也可以通過由流過電極10的電流使電極10自身發(fā)熱，將熱能施加到轉(zhuǎn)變體3上。
圖16是表示將力學(xué)能施加到轉(zhuǎn)變體3的方法的一個例子的模式圖。在圖16所示的例子中，將變位體16配置在轉(zhuǎn)變體3和電極10之間，通過在電極10中流過電流而使變位體16變形。即，通過配置變位體16，能夠?qū)⒆鳛榱W(xué)能的一種的壓力施加到轉(zhuǎn)變體3。
例如，可以將壓電材料和磁致伸縮材料用于變位體16。變位體16包含壓電材料時，例如，可以將流過電極10的電流導(dǎo)入到變位體16。當(dāng)變位體16包含磁致伸縮材料時，例如，可以將由流過電極10的電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)入到變位體16。
以上，說明了將能量施加到轉(zhuǎn)變體3的方法，但是如從上述說明可以看到的那樣，在本發(fā)明的熱開關(guān)元件中，能夠同時或設(shè)定順序地將多種不同的能量施加到轉(zhuǎn)變體3上。例如，能夠?qū)㈦姌O10用于不同種類的能量的施加。此外，需要時也可以在圖5～圖17所示的各層之間進(jìn)一步配置別的材料。
本發(fā)明的熱開關(guān)元件1也能夠用作使熱從電極2a和電極2b選出的一方電極到另一方電極傳導(dǎo)的冷卻元件。例如，在圖1所示的熱開關(guān)元件1中，通過將一并持有作為絕緣體的功能的材料用于轉(zhuǎn)變體3等，而能夠形成在一定方向傳導(dǎo)熱的元件。作為這種材料，可以舉出(Pr，Ca)MnO3和VO2等，此外，Bi2Sr2Ca2Cu3O10等的層狀物質(zhì)等。在層狀物質(zhì)的情形中，例如，可以利用它的層間方向。其中，“從一方電極到另一方電極傳導(dǎo)熱”和“在一定方向傳導(dǎo)熱”不一定意味著只是到它的相反方向完全不傳導(dǎo)熱的情形。例如，也可以是從電極2a到電極2b的熱傳導(dǎo)和從電極2b到電極2a的熱傳導(dǎo)是非對稱的。但是看起來，生成在一定方向傳導(dǎo)熱的現(xiàn)象。
此外，如圖2所示，在配置了絕緣體4的熱開關(guān)元件1中，通過控制絕緣體4的材料、厚度等，而能夠使在從電極2a到電極2b的方向上和從電極2b到電極2a的方向上的熱電子的傳導(dǎo)率非對稱。因此，能夠形成在一定方向傳導(dǎo)熱的元件，即冷卻元件。此外，為了實現(xiàn)一定方向的熱傳導(dǎo)，需要使轉(zhuǎn)變體3處于ON狀態(tài)。
下面，我們說明本發(fā)明的熱開關(guān)元件的制造方法。
為了形成構(gòu)成熱開關(guān)元件的各層，可以用一般的薄膜形成工藝，例如，脈沖激光蒸涂(PLD)、離子束蒸涂(IBD)、離子聚束和RF、DC、電子回旋加速器諧振(ECR)、氦感應(yīng)耦合等離子體(ICP)、對置靶等的各種濺射法、分子線外延生長法(MBE)、離子電鍍法等。此外，除了這些PVD法外，也可以用CVD法、電鍍法或溶膠凝膠法。當(dāng)需要進(jìn)行微細(xì)加工時，可以將在半導(dǎo)體工藝和磁頭制作工藝等中一般使用的手法組合起來。具體地說，例如，可以將用離子銑削、反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)、FIB(Focused Ion Beam(聚焦離子束))等的物理或化學(xué)的蝕刻法、用于形成微細(xì)圖案的分級法、電子束(EB)法等的光刻技術(shù)等組合起來。為了使電極等各層的表面平坦化，例如，可以用CMP(Chemo-Mechanical Polishing(化學(xué)-機(jī)械拋光))和離子聚束蝕刻等。此外，當(dāng)形成各層時，也可以形成在基體上。對用于基體的材料沒有特別的限定，例如，可以用Si和SiO2或GaAs和SrTiO3等的氧化物單晶等。
如圖2所示，表示了進(jìn)一步在轉(zhuǎn)變體3和電極2b之間包含絕緣體4，并且絕緣體4是真空的熱開關(guān)元件1的制造方法。在這種熱開關(guān)元件1的制造方法中，對在轉(zhuǎn)變體3和電極2b之間形成作為真空的絕緣體4(以下，也稱為真空絕緣單元)的方法沒有特別的限定。例如，也可以通過將轉(zhuǎn)變體3和電極2b配置在預(yù)定的間隔上在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成空間，通過使形成的空間保持真空而在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成絕緣體4。圖17表示這種制造方法的一個例子。
在圖17所示的例子中，通過使電極2b和轉(zhuǎn)變體3面對的方式而將包含電極2a和轉(zhuǎn)變體3的層積體和電極2b配置在預(yù)定間隔上，在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成空間(步驟(I))。這里，通過使形成的空間保持真空，而能夠在電極2a和轉(zhuǎn)變體3之間形成真空絕緣體單元(步驟(II))。
步驟(I)中的預(yù)定間隔，例如，可以具有作為形成真空絕緣體單元所需要的厚度，具體地如上所述，例如，可以在50nm以下的范圍內(nèi)，其中最好在15nm以下的范圍內(nèi)。對上述間隔的下限沒有特別的限定，但是例如，可以在0.3nm以上。
在步驟(I)中，對將層積體和電極2b配置在預(yù)定間隔上，在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成空間的方法沒有特別的限定。例如，可以一面控制層積體和/或電極2b兩者的間隔，一面移動層積體和/或電極2b，對該方法沒有特別的限定。更具體地說，例如，可以如圖17所示那樣，以移動電極2b和/或上述層積體的方式配置壓電體17(步驟(I-a))，使配置的壓電體17變形(步驟(I-b))。因為伴隨著壓電體17變形(膨脹和/或收縮)使電極2b和/或?qū)臃e體移動，所以能夠?qū)臃e體和電極2b以預(yù)定的間隔配置。此外，為了將層積體和電極2b配置在預(yù)定間隔上，可以使壓電體17膨脹或收縮，也可以將膨脹和收縮組合起來。
在步驟(I-a)中，壓電體17的配置方法只要能夠移動電極2b和/或上述層積體，就沒有特別的限定。例如，如圖17所示，可以與電極2b和/或上述層積體相接的方式配置壓電體17。在圖17中，因為以與電極2b和上述層積體雙方相接的方式配置壓電體17，所以能夠移動電極2b和上述層積體雙方。也可以只與某一方相接的方式配置壓電體17?？梢詫⒁话愕膲弘姴牧嫌糜趬弘婓w17。其中，需要時也可以在壓電體17和電極2a和/或電極2b之間配置別的層。
在步驟(II)中，對使在步驟(I)形成的空間保持真空的方法沒有特別的限定。例如，也可以在步驟(I)后，維持層積體和電極2b的間隔不變，使上述空間成為真空進(jìn)行密閉。為了使上述空間成為真空，例如，可以使包含層積體和電極2b的整體處于真空的氣氛中。此外，也可以同時進(jìn)行步驟(I)和步驟(II)。例如，在真空的氣氛中進(jìn)行步驟(I)，可以原封不動地密閉在層積體和電極2b之間形成的空間。其它，當(dāng)步驟(I)包含多個步驟時，也可以在步驟(I)的中途，使層積體和電極2b的整體處于真空的氣氛中。此外，所謂的真空，如上所述，例如，可以是約1Pa以下的狀態(tài)。
在圖17所示的例子中，用包含電極2b、電極2a和轉(zhuǎn)變體3的層積體形成熱開關(guān)元件，但是也可以與形成真空絕緣單元不同地配置電極2a。具體地說，例如，可以如下進(jìn)行。最初，通過以使電極2b和轉(zhuǎn)變體3面對的方式將轉(zhuǎn)變體3和電極2b配置在預(yù)定間隔上，在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成空間(步驟(i))。在圖17中，是省去電極2a的狀態(tài)。其次，通過將上述形成的空間保持在真空中，在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成真空絕緣單元(步驟(ii))。接著，能夠以將轉(zhuǎn)變體3配置在電極2b和電極2a之間的方式，配置電極2a(步驟(iii))。
在步驟(i)中的空間形成方法和步驟(ii)中的真空絕緣單元的形成方法可以與上述步驟(I)中的方法和步驟(II)中的方法相同。例如，步驟(i)也可以包含(i-a)以移動從電極2b和轉(zhuǎn)變體3選出的至少一個的方式配置壓電體17的步驟、和(i-b)通過使配置的壓電體17變形，將電極2b和轉(zhuǎn)變體3配置在預(yù)定間隔，在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成空間的步驟。
對步驟(iii)中配置電極2a的方法沒有特別的限定，例如，可以用上述的薄膜形成方法。此外，步驟(iii)不一定需要在步驟(ii)后進(jìn)行。例如，也可以從步驟(i)在步驟(ii)的任意時刻進(jìn)行。
圖18A～18D表示進(jìn)一步在轉(zhuǎn)變體3和電極2b之間包含絕緣體4，并且絕緣體4作為真空絕緣單元的熱開關(guān)單元1的制造方法的另一個例子。
最初，如圖18A所示，包含電極2a、轉(zhuǎn)變體3和電極2b，代替真空絕緣單元形成配置中間體18的多層膜(步驟(A))。因為代替真空絕緣單元配置中間體18，所以上述多層膜中的層積順序為電極2a、轉(zhuǎn)變體3、中間體18和電極2b。這里，可以將比轉(zhuǎn)變體3更容易力學(xué)地破壞的材料用于中間體18。所謂容易力學(xué)地破壞的材料，例如，可以當(dāng)施加壓縮力和擴(kuò)張力時比轉(zhuǎn)變體更容易破壞的材料。即，例如，可以用強(qiáng)度比轉(zhuǎn)變體3小的材料。更具體地說，例如，可以用Bi、Pb、Ag等。中間體18的厚度，例如，可以是作為真空絕緣單元需要的厚度，具體地如上所述。
其次，如圖18B所示，通過在上述多層膜的層積方向伸展多層膜來破壞中間體18。此后，如圖18C所示，通過將氣體19吹到殘存的中間體18來除去中間體18，在轉(zhuǎn)變體3和電極2b之間形成空間(步驟(B))。
其次，如圖18D所示，通過使形成的空間保持真空，而能夠得到在電極2b和轉(zhuǎn)變體3之間形成是真空的絕緣體4的熱開關(guān)元件(步驟(D))。與圖17所示的方法比較，現(xiàn)在這個方法，通過控制真空絕緣單元的厚度(電極2b和轉(zhuǎn)變體3的距離)，能夠更容易使真空絕緣單元的厚度成為中間體18的厚度。
在步驟(A)中，對形成多層膜的方法沒有特別的限定，例如，可以用上述的成膜方法。
在步驟(B)中，對使多層膜沿它的層積方向伸展的方法沒有特別的限定。例如，如圖18B所示，可以使用壓電體17。具體地說，步驟(B)也可以包含(B-a)以與多層膜的至少一方的主面相接的方式配置壓電體17的步驟、和(B-b)通過使配置的壓電體17變形(膨脹和/或收縮)，使多層膜沿多層膜的層積方向伸展，破壞中間體18的步驟。
在步驟(B-a)中，壓電體17的配置方法，只要能夠伸展多層膜就沒有特別的限定。例如，如圖18B所示，可以以與多層膜中包含的電極2b相接的方式配置壓電體17。也可以將壓電體17配置在電極2a側(cè)，也可以將壓電體17配置在電極2a側(cè)和電極2b側(cè)兩側(cè)?？梢詫⒁话愕膲弘姴牧嫌糜趬弘婓w17。此外，需要時也可以在壓電體17和電極2a和/或電極2b之間配置別的層。
在步驟(B-b)中，為了伸展多層膜，可以使壓電體17膨脹或收縮，也可以將膨脹和收縮組合起來。例如，如果以使壓電體17的收縮量和膨脹量相同的方式，將膨脹和收縮組合起來，則能夠形成具有與中間體18的厚度相同的間隔(轉(zhuǎn)變體3和電極2b的間隔)的空間。
在步驟(B)中，對除去破壞后殘存的中間體18的方法沒有特別的限定。例如，如圖18C所示，可以通過吹入氣體19來除去。不僅是氣體，也可以通過吹入液體來除去。當(dāng)用氣體時，對所用氣體的種類沒有特別的限定，例如，可以用具有與中間體18反應(yīng)性的氣體。
在步驟(C)，對使在步驟(B)形成的空間保持真空的方法沒有特別的限定。例如，也可以在步驟(B)后，維持轉(zhuǎn)變體3和電極2b的間隔不變，使上述空間成為真空進(jìn)行密閉。為了使上述空間成為真空，例如，可以使包含轉(zhuǎn)變體3、電極2b、電極2a的整體處于真空的氣氛中。此外，也可以同時進(jìn)行步驟(A)和/或步驟(B)、和步驟(C)。例如，也可以在真空的氣氛中進(jìn)行步驟(A)和步驟(B)，原封不動地密閉在轉(zhuǎn)變體3和電極2b之間形成的空間。其它，也可以從步驟(A)到步驟(B)中的任意時刻，使包含轉(zhuǎn)變體3、電極2a和電極2b的整體處于真空的氣氛中。其中，所謂真空，如上所述，例如，可以是約1Pa以下的狀態(tài)。
下面，表示用于絕緣體4的毫微米多孔質(zhì)體的制造方法的一個例子。表示作為毫微米多孔質(zhì)體的一個例子的多孔質(zhì)硅石的制作方法。
得到多孔質(zhì)硅石的方法大致可以分成制作濕潤凝膠的步驟和使?jié)駶櫮z干燥的步驟(干燥步驟)。首先，我們說明制作濕潤凝膠的步驟。例如，能夠通過使在溶劑中混合硅石的原料進(jìn)行溶膠凝膠反應(yīng)來進(jìn)行合成。這時，需要時也可以用催化劑。在濕潤凝膠的形成過程中，在溶劑中，一面使上述原料發(fā)生反應(yīng)，一面形成微粒子，通過使形成的微粒子三維地網(wǎng)格化而形成網(wǎng)眼狀的骨格。通過選擇原料和溶劑的組成，或者，需要時加上催化劑、粘度調(diào)整劑等，而能夠控制上述骨格的形狀(例如，形成的多孔質(zhì)硅石中的空孔的平均直徑等)。在實際的制作步驟中，也可以將混合在溶劑中的硅石的原料涂敷在基片上，通過在涂敷的狀態(tài)中經(jīng)過一定時間使其凝膠化，來制作硅石的濕潤凝膠。
對向基片上的涂敷方法沒有特別的限定，例如，可以與需要的膜厚、形狀等相應(yīng)地選擇旋轉(zhuǎn)涂膜法、浸漬法、網(wǎng)孔印刷等。
對制作濕潤凝膠時的溫度沒有特別的限定，例如，可以在室溫左右。需要時，也可以加熱到所用溶劑的沸點以下的溫度。
關(guān)于硅石的原料，例如，可以單獨使用四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、三甲氧基甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷等的烷氧基硅烷化合物和它們的低聚物化合物，或者，硅酸鈉(硅酸蘇打)、硅酸鉀等的水玻璃化合物，或者，膠質(zhì)硅石，也可以將它們混合起來使用。
對于溶劑來說，如果能夠溶解原料形成硅石等則沒有特別的限定，例如，可以單獨或混合地使用水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、甲苯、己烷等一般的無機(jī)、有機(jī)溶劑。
關(guān)于催化劑，例如，可以用水，或鹽酸、硫酸、醋酸等的酸，或者氨、吡啶、氫氧化鈉、氫氧化鉀等的鹽基。
粘度調(diào)整劑如果是能夠調(diào)整混合原料的溶劑的粘度就沒有特別的限定，例如，可以用乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇、硅酮油等。
其中，當(dāng)想將上述電子發(fā)射材料分散在多孔質(zhì)硅石中時，例如，可以在將電子發(fā)射材料與上述原料一起混合，分散在溶劑中后進(jìn)行凝膠化。
下面，說明使?jié)駶櫮z干燥的干燥步驟。對使?jié)駶櫮z干燥的方法沒有特別的限定，例如，可以用自然干燥、加熱干燥、減壓干燥等的通常干燥法，或者超臨界干燥法、凍結(jié)干燥法等。這時，從抑制伴隨著干燥的凝膠收縮的觀點出發(fā)，用超臨界干燥法是令人滿意的。此外，即便在用通常干燥法的情形中，通過對制作的濕潤凝膠的固相成分表面進(jìn)行撥水處理，也可以抑制伴隨著干燥的凝膠收縮。
當(dāng)用超臨界干燥法時，關(guān)于用于超臨界干燥的溶劑，也可以原封不動地用制作濕潤凝膠中使用的溶劑。或者，也可以預(yù)先將濕潤凝膠中包含的溶劑置換成在超臨界干燥中更容易處理的溶劑。關(guān)于置換的溶劑，可以使用作為超臨界流體一般使用的溶劑，例如，甲醇、乙醇、異丙醇等的乙醇類、二氧化碳、水等。此外，也可以預(yù)先將濕潤凝膠中包含的溶劑置換成在這些超臨界流體中容易溶出的丙酮、異戊基醋酸、己烷等。
超臨界干燥，例如，可以在高壓鍋等的壓力容器中進(jìn)行，當(dāng)作為超臨界干燥流體用甲醇時，通過使高壓鍋內(nèi)部保持作為甲醇的臨界條件的壓力8.09MPa、溫度239.4℃以上，在溫度一定的狀態(tài)中徐徐的放開壓力，可以使?jié)駶櫮z干燥。當(dāng)用二氧化碳時，同樣，通過保持壓力7.38MPa、溫度31.1℃以上，在溫度一定的狀態(tài)中徐徐地放開壓力，可以進(jìn)行干燥。當(dāng)用水時，同樣，通過保持壓力22.04MPa、溫度374.2℃以上，在溫度一定的狀態(tài)中徐徐的放開壓力，可以進(jìn)行干燥。干燥需要的時間，例如，可以在通過超臨界流體在濕潤凝膠中一次以上地加入溶劑的時間以上。
在對濕潤凝膠進(jìn)行撥水處理后進(jìn)行干燥的方法中，可以在濕潤凝膠的固相成分表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后使用于撥水處理的表面處理劑干燥。因為通過撥水處理能夠減少濕潤凝膠的空孔內(nèi)發(fā)生的表面張力，所以能夠抑制干燥時的凝膠收縮。
關(guān)于表面處理劑，例如，可以用三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷等的鹵系硅烷處理劑、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷等的烷氧基系硅烷處理劑、六甲基二硅氧烷、二甲基硅氧烷低聚物等的硅酮系硅烷處理劑、六甲基二硅氮烷等的胺系硅烷處理劑、丙基乙醇、丁基乙醇等的乙醇系處理劑等。其它，如果是能夠得到與上述表面處理劑同樣效果的材料，則能夠沒有特別限定地加以使用。
此外，即便用硅石以外的無機(jī)材料和有機(jī)高分子材料等也能夠得到同樣的毫微米多孔質(zhì)體。例如，也可以用在形成氧化鋁等的陶瓷中一般使用的材料等。此外，通過在用上述方法形成毫微米多孔質(zhì)體后，用氣相合成法等的方法，也能夠在多孔質(zhì)體的內(nèi)部分散、形成電子發(fā)射材料。
(實施例)下面，使用實施例更具體地說明本發(fā)明。此外，本發(fā)明不限定于下面所示的實施例。
(實施例1)在實施例1中，作為轉(zhuǎn)變體用SrTiO3，制作如圖19所示的熱開關(guān)元件1。電極2a和電極2b用Al，絕緣體9用Al2O3，電極10用Au。實施例1中使用的熱開關(guān)元件1的制作方法如圖20A～20E所示。
最初，在作為轉(zhuǎn)變體3的SrTiO3的晶體上堆積抗蝕劑20(圖20A)。關(guān)于抗蝕劑使用陽型抗蝕劑材料，用一般的抗蝕劑涂敷方法。其次，用濺射法在整體上堆積Al層21(圖20B)。接著，通過剝離，除去抗蝕劑20和位于在Al層21中的抗蝕劑20上的部分，形成電極2a和電極2b(圖20C)。接著，用濺射法形成由Al2O3構(gòu)成的絕緣體9(圖20D)。最后，用濺射法形成由Au構(gòu)成的電極10(圖20E)，制成圖19所示的熱開關(guān)元件1。令電極2a和電極2b之間的距離d(與轉(zhuǎn)變體3一邊的長度相當(dāng))約為5μm，絕緣體9的厚度約為100nm，電極10的厚度約為2μm。此外，從圖19所示的箭頭E看的轉(zhuǎn)變體3的尺寸為10μm×0.5μm。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，通過在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間施加電壓，在轉(zhuǎn)變體3上加上電能，調(diào)查加上能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。用赫爾曼(Harman)法測定電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率。所謂的赫爾曼法是從通過在樣品中施加電流生成的樣品兩端的溫度差來評價熱傳導(dǎo)狀態(tài)的方法。更具體地說，能夠用公式STI/AT求得熱傳導(dǎo)率。S是熱電能(V/K)，T是樣品的平均溫度(K)，I是電流值(A)，AT(K)是樣品的溫度差。此外，只要沒有特別的記述，熱傳導(dǎo)率的測定都是在室溫中進(jìn)行的。在以后的實施例中也是同樣的。
結(jié)果，在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間沒有施加電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間施加電壓，在施加約數(shù)十V的電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過施加電壓能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。
其次，制作圖21所示的熱開關(guān)元件1，同樣，調(diào)查施加能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。如下制作圖21所示的熱開關(guān)元件1。作為電極2a使用在0.1原子％～10原子％的范圍內(nèi)摻雜Nb的SrTiO3晶體(Nb:SrTiO3)，在它上面用濺射法形成由SrTiO3構(gòu)成的轉(zhuǎn)變體3。在約450℃～700℃的加熱氣氛下形成轉(zhuǎn)變體3。與圖19所示的熱開關(guān)元件1同樣地形成由Al構(gòu)成的電極2b、由Al2O3構(gòu)成的絕緣體9、由Au構(gòu)成的電極10。令轉(zhuǎn)變體3的厚度(與電極2a和電極2b之間的距離相當(dāng))約為1μm，經(jīng)過絕緣體9的電極10和轉(zhuǎn)變體3之間的距離約為100nm。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，調(diào)查通過在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間施加電壓，在轉(zhuǎn)變體3上加上電能，在加上能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。
結(jié)果，在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間沒有施加電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加施加在電極10和轉(zhuǎn)變體3之間的電壓時，在加上2.5V的電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過施加電壓能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。
此外，在實施例1中，作為轉(zhuǎn)變體用SrTiO3，但是其它，在轉(zhuǎn)變體3中用LaTiO3、(La，Sr)TiO3、YTiO3、(Sm，Ca)TiO3、(Nd，Ca)TiO3、(Pr，Ca)TiO3、SrTiO3-d(0＜d≤0.1)、(Pr1-xCax)MnO3(0＜x≤0.5)、等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。此外，在用GdBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是從La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb選出的至少一種的元素，X2是Mn和/或Co)表示的氧化物和由式(V1-yX3y)Ox(0≤y≤0.5，1.5≤x≤2.5，X3是從Cr、Mn、Fe、Co和Ni選出的至少一種的元素)表示的氧化物的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例2)在實施例2中，作為轉(zhuǎn)變體3使用在0.1原子％～10原子％的范圍內(nèi)摻雜Cr的SrTiO3(Cr:SrTiO3)，制成圖22所示的熱開關(guān)元件1。
最初，使用SrTiO3作為基體22，用濺射法在基體22上形成由SrRuO3構(gòu)成的電極2a。其次，在電極2a上形成由Cr:SiTiO3構(gòu)成的轉(zhuǎn)變體3，進(jìn)一步在它上面形成由Pt構(gòu)成的電極2b。在形成轉(zhuǎn)變體3和電極2b時也用濺射法。在約450℃～700℃的加熱氣氛下形成轉(zhuǎn)變體3和電極2a。其中，電極2a、轉(zhuǎn)變體3和電極2b的厚度分別約為200nm，300nm和2μm。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，調(diào)查通過在電極2a和電極2b之間施加電壓，在轉(zhuǎn)變體3上施加電能，在施加能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
其結(jié)果，在電極2a和電極2b之間沒有施加電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加施加在電極2a和電極2b之間的電壓時，在加上約0.5V的電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過加上電壓能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。此外，在熱開關(guān)元件1的熱傳導(dǎo)性中可以看到滯后性，在出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性后即便在電極2a和電極2b之間加上電壓為0的情形中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)性也保持不變。此后，通過在電極之間加上與最初施加的電壓反向的電壓，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)性才消失。從而，我們看到通過選擇用于轉(zhuǎn)變體3的材料，可以實現(xiàn)具有非易失性的熱開關(guān)元件。如果用非易失性的熱開關(guān)元件，則能夠構(gòu)筑進(jìn)一步削減消耗電功率的熱開關(guān)元件。
其中，在實施例2中，作為轉(zhuǎn)變體用Cr:SrTiO3，但是其它，在轉(zhuǎn)變體3中用SrZrO3、(La，Sr)TiO3、Y(Ti、V)O3、SrTiO3-d(0＜d≤0.1)、(Pr1-xCax)MnO3(0＜x≤0.5)等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。此外，在用NdBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是從La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb選出的至少一種的元素，X2是Mn和/或Co)表示的氧化物和由式(V1-yX3y)Ox(0≤y≤0.5，1.5≤x≤2.5，X3是從Cr、Mn、Fe、Co和Ni選出的至少一種的元素)表示的氧化物的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例3)在實施例3中，作為轉(zhuǎn)變體3使用SrTiO3和LaSrMnO3的層積體，制成圖23所示的熱開關(guān)元件1。
使用Nb:SrTiO3作為基體22，使用激光熔蝕法堆積下面所示的薄膜。堆積是在450℃～700℃的加熱中，在10mmTorr～500mmTorr的氧氣氛下進(jìn)行的。最初，在基體22上配置SrTiO3(厚度50nm)，進(jìn)0 一步在它上面配置LaSrMnO3(厚度100nm)作為轉(zhuǎn)變體3。其次，在轉(zhuǎn)變體3上配置SrRuO3(厚度10nm)。接著，用濺射法在SrRuO3上配置Pt(厚度240nm)。濺射時的溫度為400℃。接著，如圖23所示的那樣對SrRuO3和Pt的層積體進(jìn)行微細(xì)加工，形成電極2a和電極2b。此后，作為絕緣體9以從電極2a和電極2b的表面算起的厚度為80nm的方式配置Al2O3，最后，作為電極10配置Au(厚度900nm)。此外，為了提高施加在轉(zhuǎn)變體3上的磁場的效率，將電極10分割成多個電極(共計15根，在圖23中只記述了其中的一部分)進(jìn)行配置。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，調(diào)查通過在電極10中流過電流11在轉(zhuǎn)變體3上施加磁場，在施加磁能前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。此外，在多個電極10中都在同方向流過電流。
其結(jié)果，在電極10中沒有流過電流的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)使電極10中流過的電流增加時，在每一根電極10中流過約為2.5mA電流的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過施加磁場能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。
此外，在實施例3中，作為轉(zhuǎn)變體使用(La，Sr)MnO3，但是其它，在轉(zhuǎn)變體3中用(La，Sr)3Mn2O7、X42FeReO6、X42FeMoO6、(La，X4)2CuO4、(Nd，Ce)2CuO4、(La，X4)2NiO4、LaMnO3、YMnO3、(Sm，Ca)MnO3、(Nd，Ca)MnO3、(Pr，Ca)MnO3、(La，X4)FeO3、YFeO3、(Sm，X4)FeO3、(Nd，X4)FeO3、(Pr，X4)FeO3、(La，X4)CoO3、(Y，X4)VO3、(Bi，X4)MnO3、SrTiO3-d(0＜d≤0.1)等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。但是，X4是從Sr、Ca和Ba選出的至少一種的元素。此外，在SmBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是從La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb選出的至少一種的元素，X2是Mn和/或Co)表示的氧化物和由式(V1-yX3y)Ox(0≤y≤0.5，1.5≤x≤2.5，X3是從Cr、Mn、Fe、Co和Ni中選出的至少一種的元素)表示的氧化物的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例4)在實施例4中，制成包含圖14B所示的構(gòu)成的熱開關(guān)元件。
用MgO作為基體，用激光熔蝕法在基體上層積下面所示的薄膜。層積是在450℃～700℃的加熱中，在10mmTorr～500mmTorr的氧氣氛下進(jìn)行的。最初，在基體上層積ITO(Sn-doped(摻雜Sn的)In2O3厚度50nm)，進(jìn)一步在它上面層積(Pr，Ca)MnO3(厚度100nm)，作為轉(zhuǎn)變體3。其次，用濺射法在SrRuO3上層積Pt(厚度240nm)。濺射時的溫度為400℃。接著，對SrRuO3和Pt的層積體進(jìn)行微細(xì)加工，形成電極2a和電極2b，制成熱開關(guān)元件。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件，通過從基體側(cè)射入脈沖激光(波長532nm)將光能施加在轉(zhuǎn)變體3上，調(diào)查在施加光能前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
其結(jié)果，在轉(zhuǎn)變體3上沒有射入光的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)將光射入到轉(zhuǎn)變體3上時，在照射約0.5W的100毫微微秒的極短脈沖的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過光入射能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。此外，即便在使脈沖激光的波長從近紅外區(qū)域到可見光區(qū)域變化的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例5)在實施例5中，制成包含圖15所示的構(gòu)成的熱開關(guān)元件。
使用LiTaO3作為基體，使用磁孔管濺射法在基體上層積下面所示的薄膜。成膜是在450℃～700℃的加熱中，在10mmTorr～500mmTorr的氧-氬混合氣氛下(分壓比為Ar∶O2＝1∶1)進(jìn)行的。最初，在基體上形成V2O3(厚度50nm)的薄膜作為轉(zhuǎn)變體3。其次，在400℃下，在轉(zhuǎn)變體3上形成Pt(厚度50nm)的薄膜，通過微細(xì)加工，形成電極2a和電極2b。接著，用電子束蒸涂法形成Ni-Cr合金(厚度100nm)的薄膜作為電阻體15，進(jìn)一步形成Au(厚度300nm)的薄膜，形成電極10。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件，通過在電極10中流過電流使電阻體15發(fā)熱，將產(chǎn)生的熱施加到轉(zhuǎn)變體3上。調(diào)查在施加熱能前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
結(jié)果，在電極10中沒有流過電流的狀態(tài)，即電阻體15不發(fā)熱的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加流過電極10的電流時，在流過約4mA電流的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過施加熱能而能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。
此外，在實施例5中，作為轉(zhuǎn)變體用V2O3，但是其它，在轉(zhuǎn)變體3中用VOx(1.5≤x≤2.5)、Ni(S，Se)2、EuNiO3、SmNiO3、(Y，X4)VO3、SrTiO3-d(0＜d≤0.1)、(Pr1-xCax)MnO3(0＜x≤0.5)等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。但是，X4是從Sr、Ca和Ba選出的至少一種的元素。此外，在由式X1BaX22O6(X1是從La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中選出的至少一種的元素，X2是Mn和/或Co)表示的氧化物和由式(V1-yX3y)Ox(0≤y≤0.5，1.5≤x≤2.5，X3是從Cr、Mn、Fe、Co和Ni選出的至少一種的元素)表示的氧化物的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例6)在實施例6中，制成如圖24所示的熱開關(guān)元件1。
使用作為一種壓電材料的LiTaO3(厚度0.8μm)作為變位體16，用濺射法在變位體16上配置下面所示的薄膜。各層的配置是在200℃～500℃的加熱中，在0.1mmTorr～100mmTorr的氬-氮混合氣氛下(分壓比為Ar∶N2＝3∶2)進(jìn)行的。最初，在變位體16上配置LaVO3(厚度100nm)作為轉(zhuǎn)變體3。其次，在轉(zhuǎn)變體3上配置Al(厚度1000nm)作為電極2a和電極2b。進(jìn)一步，在與變位體16中的轉(zhuǎn)變體3相接的面的相反側(cè)的面上，配置Al(厚度1000nm)作為電極10。用光刻法使電極10成為如圖24所示的梳形。梳形電極10之間的間隔為2μm。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，通過用電極10在變位體16上加上電壓，使變位體16中發(fā)生畸變，根據(jù)發(fā)生的畸變將壓力施加到轉(zhuǎn)變體3上。調(diào)查在這樣地加上力學(xué)能前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
結(jié)果，在變位體16上沒有加上電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加加在變位體16上的電壓時，在加上約0.5V電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過施加作為一種力學(xué)能的壓力而能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。
此外，在實施例6中，作為轉(zhuǎn)變體使用LaVO3，但是其它，在轉(zhuǎn)變體3中用(Y，X4)MnO3、(La，X4)MnO3、(Bi，X4)MnO3、(Bi，X4)TiO3、(Bi，X4)3TiO7、(Pb，X4)TiO3、SrTiO3-d(0＜d≤0.1)、(Pr1-xCax)MnO3(0＜x≤0.5)等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。但是，X4是從Sr、Ca和Ba中選出的至少一種的元素。此外，在SmBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是從La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中選出的至少一種的元素，X2是Mn和/或Co)表示的氧化物和由式(V1-yX3y)Ox(0≤y≤0.5，1.5≤x≤2.5，X3是從Cr、Mn、Fe、Co和Ni選出的至少一種的元素)表示的氧化物的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。此外，在實施例6中，作為變位體16用LiTaO3，但是其它，在用LiNbO3和(Ba，Sr)TiO3、Pb(Zr，Ti)O3等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例7)在實施例7中，制成包含圖2所示的絕緣體4的熱開關(guān)元件1。
最初，在由SrTiO3構(gòu)成的基體上，配置SrRuO3(厚度200nm)形成電極2a。其次，通過在電極2a上配置用在0.1原子％～10原子％的范圍內(nèi)摻雜Cr的SrTiO3(Cr:SrTiO3，厚度300nm)形成轉(zhuǎn)變體3。用激光熔蝕法(基片溫度在450℃～700℃的范圍內(nèi))形成電極2a和轉(zhuǎn)變體3。
其次，在轉(zhuǎn)變體3上用上述溶膠凝膠法配置多孔質(zhì)硅石層(厚度約0.1μm)作為絕緣體4。下面表示多孔質(zhì)硅石層的具體制作方法。
首先，作為包含硅石原料的溶液，調(diào)制以克分子比1∶3∶4的比例混合四甲氧基硅烷、乙醇和氨水溶液(規(guī)定0.1)的溶液。使作為電子發(fā)射材料平均粒徑約10nm的金剛石粒子分散在溶液中。在對上述溶液進(jìn)行攪拌處理后，形成適合于涂敷的粘度，旋轉(zhuǎn)涂敷在轉(zhuǎn)變體3上厚度約為0.1μm。此后，通過干燥對上述涂敷的硅石溶膠進(jìn)行整合凝膠化。通過高分辨率掃描型電子顯微鏡對形成的硅石凝膠進(jìn)行評價，能夠確認(rèn)形成了由圖3所示的Si-O-Si結(jié)合的三維網(wǎng)格構(gòu)成的濕潤凝膠構(gòu)造。此外，也能夠確認(rèn)均勻地分散著作為電子發(fā)射材料的金剛石粒子。
其次，在用乙醇洗凈上述那樣制作的濕潤凝膠，并進(jìn)行溶劑置換后，通過進(jìn)行使用二氧化碳的超臨界干燥，制成多孔質(zhì)硅石層。在壓力12MPa、溫度50℃的條件下經(jīng)過4小時的超臨界干燥后，徐徐地放開壓力成為大氣壓，然后降低溫度到室溫。接著，通過在氮氣氛下，在400℃中對經(jīng)過干燥的試料進(jìn)行退火處理，來除去到多孔質(zhì)硅石層的吸附物質(zhì)。
此外，用Brunauer-Emmett-Teller(布龍瑙爾-埃梅特-特勒)法(BET法)對制成的多孔質(zhì)硅石層的空孔率進(jìn)行評價，約為92％。此外，同樣，用同樣的方法估計多孔質(zhì)硅石層的平均空孔徑，約為20nm。
通過在氫氣氛下，在400℃中對這樣制作的電極2a、轉(zhuǎn)變體3和絕緣體4進(jìn)行退火處理。通過這種退火處理，使多孔質(zhì)硅石層中包含的金剛石粒子的表面氫化，能夠使作為電子發(fā)射材料的金剛石粒子更加活性化。
最后，用濺射法，在絕緣體4上配置Pt(厚度200nm)，形成電極2b。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，調(diào)查通過在電極2a和電極2b之間施加電壓，在轉(zhuǎn)變體3上施加電能，在加上能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
結(jié)果，在電極2a和電極2b之間沒有加上電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加施加在電極2a和電極2b之間的電壓時，在施加上約5V的電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過加上電壓能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。
此外，測定熱傳導(dǎo)性出現(xiàn)時的兩電極間的發(fā)射電流密度，得到數(shù)10mA/cm2的值。進(jìn)一步，維持熱開關(guān)元件1的熱傳導(dǎo)性不變，使電極2a與保持在30℃的Au接觸，測定電極2a的溫度變化，觀察到電極2a的溫度降低約30度，即成為約0℃的現(xiàn)象，確認(rèn)了作為經(jīng)過絕緣體4的熱開關(guān)元件和冷卻元件的功能。
進(jìn)一步在實施例7中，制成包含圖4所示的絕緣體4和電極8的熱開關(guān)元件1，進(jìn)行同樣的評價。
最初，在由SrTiO3構(gòu)成的基體上，配置SrRuO3(厚度200nm)形成電極2a。其次，通過在電極2a上配置用在0.1原子％～10原子％的范圍內(nèi)摻雜Cr的SrTiO3(Cr:SrTiO3，厚度300nm)形成轉(zhuǎn)變體3。接著，在轉(zhuǎn)變體3上配置(Sr，Ca，Ba)CO3(厚度50nm)形成電極8，進(jìn)一步在它上面與上述同樣地配置多孔質(zhì)硅石層(厚度0.1μm)形成絕緣體4。用激光熔蝕法(基片溫度在450℃～700℃的范圍內(nèi))形成電極2a、轉(zhuǎn)變體3和電極8。最后，用濺射法在絕緣體4上配置Pt(厚度2000nm)作為電極2b，制成如圖4所示的熱開關(guān)元件1。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，調(diào)查通過在電極2a和電極2b之間施加電壓，在轉(zhuǎn)變體3上施加電能，在施加上能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
結(jié)果，在電極2a和電極2b之間沒有施加電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加施加在電極2a和電極2b之間的電壓時，在施加上約1.8V的電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過加上電壓能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。當(dāng)從在沒有配置電極8的情形中需要加上約5V的電壓進(jìn)行考慮時，我們看到通過配置電極8，將效率提高到兩倍以上。
此外，維持熱開關(guān)元件1的熱傳導(dǎo)性不變，使電極2a與保持在30℃的Au接觸，測定電極2a的溫度變化，觀察到電極2a的溫度降低的現(xiàn)象，確認(rèn)了作為經(jīng)過絕緣體4的熱開關(guān)元件和冷卻元件的功能。
此外，在實施例7中形成厚度約0.1μm的多孔質(zhì)硅石層作為絕緣體4，但是即便在絕緣體4的厚度在約0.05μm～10μm的范圍內(nèi)也能夠得到同樣的結(jié)果。但是，因為考慮到作為絕緣體4的最適合的厚度根據(jù)元件的構(gòu)造、所用的材料等而變化，所以絕緣體4的厚度不限定于上述范圍。
此外，在實施例7中作為電極8用(Sr，Ca，Ba)CO3，但是其它，在用(Sr，Ca，Ba)-O、Cs-O、Cs-Sb、Cs-Te、Cs-F、Rb-O、Rb-Cs-O、Ag-Cs-O等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
(實施例8)在實施例8中，作為轉(zhuǎn)變體3使用Ca3Co4O9，制成如圖22所示的熱開關(guān)元件1。
最初，用(Al2O3)作為基體22，用濺射法在基體22上形成由NaCo2O6構(gòu)成的電極2a。其次，在電極2a上形成Ca3Co4O9構(gòu)成的轉(zhuǎn)變體3，進(jìn)一步在其上形成由NaCo2O6構(gòu)成的電極2b。也用濺射法形成轉(zhuǎn)變體3和電極2b。在約450℃～850℃的加熱氣氛下形成轉(zhuǎn)變體3和電極2a。此外，電極2a、轉(zhuǎn)變體3和電極2b的厚度分別約為200nm，300nm和2μm。
對于這樣制作的熱開關(guān)元件1，調(diào)查通過在電極2a和電極2b之間施加電壓，而在轉(zhuǎn)變體3上施加電能，在施加上能量前后的電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率的變化。與實施例1同樣地進(jìn)行熱傳導(dǎo)率的測定。
結(jié)果，在電極2a和電極2b之間沒有施加電壓的狀態(tài)中，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)率非常小，達(dá)到不能夠測定的程度。此后，當(dāng)增加施加在電極2a和電極2b之間的電壓時，在加上約0.5V的電壓的階段出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性，確認(rèn)了作為通過施加電壓而能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件實施著功能。此外，在熱開關(guān)元件1的熱傳導(dǎo)性中可以看到滯后性，在出現(xiàn)熱傳導(dǎo)性后即便在電極2a和電極2b之間所施加電壓為0時，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)性也保持不變。此后，通過在電極之間施加與最初施加的電壓反向的電壓，電極2a和電極2b之間的熱傳導(dǎo)性才消失。從而，我們看到通過選擇用于轉(zhuǎn)變體3的材料，可以實現(xiàn)具有非易失性的熱開關(guān)元件。如果用非易失性的熱開關(guān)元件，則能夠構(gòu)筑進(jìn)一步削減消耗電功率的熱開關(guān)元件。
此外，在實施例8中，作為轉(zhuǎn)變體3使用Ca3Co4O9，但是在用由CuX5O2(X5是從Al、In、Ga和Fe中選出的至少一種的元素)表示的銅鐵礦等的情形中也能夠得到同樣的結(jié)果。
只要不脫離本發(fā)明的意圖和本質(zhì)的特征，就可以將本發(fā)明應(yīng)用于其它的實施方式。在本說明書中揭示的實施方式在所有方面都進(jìn)行了說明，但是不限定于此。本發(fā)明的范圍由不在上述說明中的附加的權(quán)利要求書表示，與權(quán)利要求書均等的意義和范圍內(nèi)的所有變更都包含在權(quán)利要求書中。
如以上說明的那樣，如果根據(jù)本發(fā)明，則能夠提供具有與已有完全不同的構(gòu)成，通過施加能量而能夠控制熱的傳輸?shù)臒衢_關(guān)元件及其制造方法。
如果是用于信息終端等的CPU等的半導(dǎo)體芯片的散熱單元、和作為熱機(jī)關(guān)代表性制品的電冰箱、冷凍庫、空調(diào)等的熱傳輸單元、熱配線中的熱流控制單元等，進(jìn)行熱傳輸?shù)牟糠?，則能夠用本發(fā)明的熱開關(guān)元件，而沒有特別的限定。這時，不僅能夠用于需要控制熱傳輸?shù)牟糠郑材軌蛴糜诓恍枰刂频膯渭兊貍鬏敓岬牟糠帧?br> 權(quán)利要求
1.一種熱開關(guān)元件，其特征在于所述熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極以及配置在所述第一電極和所述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體；所述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量來進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料；通過將所述能量施加到所述轉(zhuǎn)變體上，而使所述第一電極和所述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于通過施加所述能量，形成使熱比施加所述能量前更容易在所述第一電極和所述第二電極之間移動的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于通過施加所述能量，使所述轉(zhuǎn)變體的電子熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于通過施加所述能量，使所述轉(zhuǎn)變體發(fā)生絕緣體一金屬轉(zhuǎn)變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于通過施加所述能量，形成使熱電子比施加所述能量前更容易在所述轉(zhuǎn)變體內(nèi)移動的狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述施加的能量是從電能、光能、力學(xué)能、磁能和熱能中選出的至少一種能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述能量的施加是通過將電子或者空穴注入到所述轉(zhuǎn)變體，或者在所述轉(zhuǎn)變體中感應(yīng)出電子或者空穴來進(jìn)行的。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述能量的施加是通過在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓來進(jìn)行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述電子相轉(zhuǎn)變的材料包含具有由式AxDyOz所表示的組成的氧化物；其中，在所述式中，A是從堿金屬、堿土類金屬、Sc、Y和稀土類元素中選出的至少一種的元素，D是從IIIa族、IVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族和Ib族中選出的至少一種的遷移元素，O是氧，x、y、z是正數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝n+2y＝n+1z＝3n+4其中，n為0、1、2、或3。
11.據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝n+1y＝n+1z＝3n+5其中，n為1、2、3或4。
12.據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝ny＝nz＝3n其中，n為1、2或3。
13.據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝n+1y＝nz＝4n+1其中，n為1或2。
14.據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝0或1y＝0或1z＝1其中，從x和y中選出的某一方為0。
15.據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝0、1或2y＝0、1或2其中，從x和y中選出的某一方為0；z是，當(dāng)x為0時，在y的值上加1的值，當(dāng)y為0時，在x的值上加1的值。
16.據(jù)權(quán)利要求9所述的熱開關(guān)元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是滿足下列關(guān)系的數(shù)值x＝0或2y＝0或2z＝5其中，從x和y選出的某一方為0。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述電子相轉(zhuǎn)變的材料包含從莫特型絕緣體和磁性半導(dǎo)體中選出的至少一種。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性開關(guān)元件，其特征在于還包含第一絕緣體；將所述第一絕緣體配置在所述轉(zhuǎn)變體和所述第二電極之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的磁性開關(guān)元件，其特征在于還包含第三電極；將所述第三電極配置在所述轉(zhuǎn)變體和所述第一絕緣體之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于還包含將所述能量施加到所述轉(zhuǎn)變體的第四電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱開關(guān)元件，其特征在于還包含第二絕緣體；將所述第二絕緣體配置在所述轉(zhuǎn)變體和所述第四電極之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述能量的施加是通過在所述第四電極和所述轉(zhuǎn)變體之間施加電壓來進(jìn)行的。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述能量的施加是通過在所述第四電極中流過電流來進(jìn)行的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述能量的施加是通過將在所述第四電極中流過電流而產(chǎn)生的磁場導(dǎo)入轉(zhuǎn)變體來進(jìn)行的。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述第一絕緣體是真空。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述第一絕緣體是隧道絕緣體。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述第一絕緣體由具有多孔質(zhì)構(gòu)造的絕緣材料所構(gòu)成。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的熱開關(guān)元件，其特征在于所述絕緣材料包含電子發(fā)射材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱開關(guān)元件，其特征在于作為從所述第一電極和所述第二電極中選出的一方電極到另一方的電極傳導(dǎo)熱的冷卻元件而起作用。
30.一種熱開關(guān)元件的制造方法，其中，所述熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極、配置在所述第一電極和所述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體、以及配置在所述轉(zhuǎn)變體和所述第二電極之間的絕緣體；所述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量來進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料；所述絕緣體是真空；通過將所述能量施加到所述轉(zhuǎn)變體上，使所述第一電極和所述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，所述熱開關(guān)元件的制造方法的特征在于包含，(I)通過以面對所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體的方式將包含轉(zhuǎn)變體和第一電極的層積體和第二電極配置在預(yù)定的間隔上，而在所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體的之間形成空間的步驟；和(II)通過使所述空間保持真空，而在所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體的之間形成絕緣體的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的熱開關(guān)元件的制造方法，其特征在于所述步驟(I)包含，(I-a)以移動從所述第二電極和所述層積體中選出的至少一個的方式來配置壓電體的步驟；和(I-b)通過使所述配置的壓電體變形，將所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體配置在預(yù)定的距離上，在所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體的之間形成空間的步驟。
32.一種熱開關(guān)元件的制造方法，其中，所述熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極、配置在所述第一電極和所述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體、以及配置在所述轉(zhuǎn)變體和所述第二電極之間的絕緣體；所述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量來進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料；所述絕緣體是真空；通過將所述能量施加到所述轉(zhuǎn)變體上，來使所述第一電極和所述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，所述熱開關(guān)元件的制造方法的特征在于包含，(i)通過將轉(zhuǎn)變體和第二電極配置在預(yù)定的間隔上，來在所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體之間形成空間的步驟；(ii)通過使所述空間保持真空，來在所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體之間形成絕緣體的步驟；和(iii)以將所述轉(zhuǎn)變體配置在所述第二電極和第一電極之間的方式，來配置所述第一電極的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的熱開關(guān)元件的制造方法，其特征在于所述步驟(i)包含，(i-a)以移動從所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體中選出的至少一個的方式來配置壓電體的步驟；和(i-b)通過使所述配置的壓電體變形，來將所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體配置在預(yù)定間隔上，在所述第二電極和在所述轉(zhuǎn)變體之間形成空間的步驟。
34.一種熱開關(guān)元件的制造方法，其中，所述熱開關(guān)元件包含第一電極、第二電極、配置在所述第一電極和所述第二電極之間的轉(zhuǎn)變體、以及配置在所述轉(zhuǎn)變體和所述第二電極之間的絕緣體；所述轉(zhuǎn)變體包含通過施加能量進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料；所述絕緣體是真空；通過將所述能量施加到所述轉(zhuǎn)變體上，來使所述第一電極和所述第二電極之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化，所述熱開關(guān)元件的制造方法的特征在于包含，(A)以第一電極、轉(zhuǎn)變體、包含比所述轉(zhuǎn)變體更容易力學(xué)地破壞的材料的中間體和第二電極的順序，來形成包含它們的層積體的步驟；(B)通過在所述層積體的層積方向伸長所述層積體，來破壞所述中間體，通過除去所述破壞了的中間體，而在所述轉(zhuǎn)變體和所述第二電極之間形成空間的步驟；和(C)通過使所述空間保持真空，在所述第二電極和所述轉(zhuǎn)變體之間形成絕緣體的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的熱開關(guān)元件的制造方法，其特征在于所述步驟(B)包含，(B-a)以與所述層積體的至少一方的主面相接的方式來配置壓電體的步驟；和(B-b)通過使所述配置的壓電體變形，而在所述層積體的層積方向伸長所述層積體，從而破壞所述中間體的步驟。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的熱開關(guān)元件的制造方法，其特征在于通過將氣體吹到所述被破壞的中間體來除去所述步驟(B)中的所述中間體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱開關(guān)元件及其制造方法，該熱開關(guān)元件具有與已有完全不同的構(gòu)成，通過施加能量而能夠控制熱的傳輸。熱開關(guān)元件包含第一電極(2a)、第二電極(2b)以及配置在第一電極(2a)和第二電極(2b)之間的轉(zhuǎn)變體(3)，轉(zhuǎn)變體(3)包含通過施加能量進(jìn)行電子相轉(zhuǎn)變的材料，成為通過將能量施加到轉(zhuǎn)變體(3)上，使第一電極(2a)和第二電極(2b)之間的熱傳導(dǎo)率發(fā)生變化的元件。
文檔編號F25B21/00GK1745485SQ20048000335
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月30日
發(fā)明者小田川明弘, 杉田康成, 足立秀明, 出口正洋 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社