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CN112331765B - 一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关 - Google Patents

一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关 Download PDF

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Abstract

一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关。本发明属于热调整器领域。本发明的目的是为了解决现有逻辑热开关仅能支持一种信号的热布尔运算的技术问题。本发明的基于近场热辐射的多级热控逻辑开关由接收端复合结构、发射端复合结构和设置于二者之间的间隔物构成，接收端复合结构和发射端复合结构之间通过间隔物形成真空间隙；所述接收端复合结构和发射端复合结构完全相同且相对于间隔物对称设置，所述接收端复合结构由上至下依次为接收端基底、接收端内层膜、接收端外层膜；所述发射端复合结构由上至下依次为发射端外层膜、发射端内层膜、发射端基底。本发明通过控制器件之间的近场辐射热交换，实现在微尺度上进行开、或、关逻辑操作的可能。

Description

一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关
技术领域
本发明属于热调整器领域，具体涉及一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关。
背景技术
电流的控制是现代逻辑开关的基础，基于离散电平的电信号实现了布尔运算。然而，在许多工程应用中发现今天的电子产品不能的在某些恶劣环境(如电离辐射环境等)中工作。因此，人们提出了一种基于热流控制的逻辑开关作为替代基于电流控制的逻辑开关的解决方案，在热科学和计算科学之间开辟了一个新的科学领域。作为电子逻辑开关的热模拟，它也需要输出具有不同离散水平的热信号来转换成数字代码(“0”和“1”)。
早期由于热传导和热对流理论与技术的成熟，热逻辑开关的设计原理主要是基于热传导和热对流。人们针对通过对固体/固体的热传导或者对液体/固体对流换热的操纵来实现具有不同离散水平的热信号已经做了大量的研究工作。但由于声子和液体的传播速度相对较慢，同时导热和对流存在很强的线性特点很难获得较大的热流梯度。但随着微尺度研究的深入，基于光子隧穿的近场热辐射可以有效的弥补声子传热和对流传热的缺陷，因此近年来学者发现将二氧化钒的热致相变特性应用于辐射换热中，可以很好的实现热信号的有效离散。同时，在微纳尺度下，电磁辐射的超强换热能力也显著提高了热逻辑开关的热信号离散度。但是，近年来学者们广泛研究和开发的逻辑热开关都受到一个主要因素限制，即仅仅能支持一种信号(从“ON”模式到“OFF”模式)的热布尔运算。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有逻辑热开关仅能支持一种信号的热布尔运算的技术问题，而提供一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关。
本发明的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关由接收端复合结构、发射端复合结构和设置于二者之间的间隔物构成，接收端复合结构和发射端复合结构之间通过间隔物形成真空间隙；所述接收端复合结构和发射端复合结构完全相同且相对于间隔物对称设置，所述接收端复合结构由上至下依次为接收端基底、接收端内层膜、接收端外层膜；所述发射端复合结构由上至下依次为发射端外层膜、发射端内层膜、发射端基底。
进一步限定，所述接收端基底和发射端基底材料相同，均为Au薄膜。
进一步限定，所述接收端内层膜和发射端内层膜材料相同，均为高温热致相变二氧化钒薄膜；所述二氧化钒薄膜为单层或多层。
进一步限定，所述二氧化钒薄膜的相变温度为68℃。
进一步限定，所述接收端外层膜和发射端外层膜材料相同，均为低温热致相变钨掺杂二氧化钒薄膜；所述钨掺杂二氧化钒薄膜为单层或多层。
进一步限定，所述钨掺杂二氧化钒薄膜的相变温度＜68℃。
进一步限定，所述钨掺杂二氧化钒薄膜的相变温度28℃～68℃。
进一步限定，所述钨掺杂二氧化钒薄膜中钨掺杂的质量浓度为0.1％～1％。
进一步限定，所述钨掺杂二氧化钒薄膜中钨掺杂的方式为通过高温扩散和离子注入的方式将钨离子掺杂到二氧化钒内部。
进一步限定，所述接收端内层膜和发射端内层膜通过磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶或脉冲激光沉积镀于相应基底表面。
进一步限定，所述接收端外层膜和发射端外层膜通过磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶或脉冲激光沉积镀于相应内层膜表面。
进一步限定，所述接收端内层膜和发射端内层膜的厚度＞1000nm。
进一步限定，所述接收端内层膜和发射端内层膜的厚度为1000nm～10000nm。
进一步限定，所述接收端外层膜和发射端外层膜的厚度为10nm～200nm。
进一步限定，所述接收端复合结构和发射端复合结构的垂直间距为50nm～1000nm。
进一步限定，所述间隔物为通过刻蚀方法制得的阵列结构。
进一步限定，所述间隔物为刻蚀制得的聚丙乙烯立方体阵列。
本发明与现有技术相比具有的优点：
1)本发明利用钨掺杂能够降低二氧化钒相变温度的特性，通过将钨掺杂二氧化钒薄膜和无掺杂二氧化钒薄膜相互组合设计得到具有多级离散热信号的热逻辑开关。通过控制器件之间的近场辐射热交换，实现了在微尺度上进行“开”、“或”和“关”逻辑操作的可能性，从而克服了原来的辐射逻辑开关只提供两个离散热信号(“开”和“关”)的局限性。
2)本发明所提供的热离散信号具有很高的离散度，这是基于二氧化钒和钨掺杂二氧化钒在不同温度下支持表面激元的特点，其适用于对热信号分辨率要求较高的使用场景。同时可以通过调节钨掺杂的浓度实现不同温度范围的热信号选择输出。
3)本发明的热控逻辑开关发射端与接收端之间是相互平行的。两个复合结构之间的间距是“微纳米量级”所谓微纳米量级是指小于热辐射特征波长，该特征波长300K时为9.7μm，过小的间距可能造成加工成本急剧提高，过大的间距会降低离散热信号分离散程度，从而减少了本发明热信号的分辨率。
4)本发明的热控逻辑开关中外层膜的厚度应该保持在10nm～200nm的范围内，过小的厚度会导致“ON”模式和“OR”模式之间热流量的离散程度降低，过大的厚度会导致“OR”模式和“OFF”模式之间热流量的离散程度降低；内层膜的厚度应该大于1000nm，过小的厚度会导致“ON”模式下热流密度过小，这是因为过小的膜厚导致会导致薄膜对倏逝波的发射和吸收能力减弱，从而导致其热流密度减小。
5)钨掺杂浓度应该保持在0.1％～1％之间，过小的掺杂浓度会导致“OR”模式的温度平台过窄，从而导致其不容易被分辨。过大的掺杂浓度会严重影响钨掺杂二氧化钒的光学特征，这是因为过大的掺杂浓度会削弱二氧化钒在绝缘体特性时的表面激元强度下降，从而减小“ON”模式下的热流密度。
6)本发明的热控逻辑开关中采用聚丙乙烯作为间隔物，聚丙乙烯具有很低的导热率，这种低导热率可以避免声子导热对热端和冷端温差的干扰，从而可以稳定的维持热端和冷端具有足够的温差。并且可以保证声子导热不会影响热信号的离散程度。
附图说明
图1为本发明基于近场热辐射的多级热控逻辑开关的结构图；1-接收端基底、2-接收端内层膜、3-接收端外层膜、4-间隔物、5-发射端外层膜、6-发射端内层膜；7-发射端基底、8-真空间隙；
图2为具体实施方式一的内层膜VO2薄膜介电常数实部；
图3为具体实施方式一的内层膜VO2薄膜介电常数虚部；
图4为具体实施方式一的多级热控逻辑开关在不同发射端温度的下辐射热流密度的变化图。
具体实施方式
具体实施方式一(参照图1)：本实施方式的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关由接收端复合结构、发射端复合结构和设置于二者之间的间隔物4构成，接收端复合结构和发射端复合结构之间通过间隔物4形成真空间隙8；所述接收端复合结构和发射端复合结构完全相同且相对于间隔物4对称设置，所述接收端复合结构由上至下依次为接收端基底1、接收端内层膜2、接收端外层膜3；所述发射端复合结构由上至下依次为发射端外层膜5、发射端内层膜6、发射端基底7；所述发射端作为热源；所述接收端作为冷源；
所述接收端基底1和发射端基底7材料相同，均为Au薄膜；
所述接收端内层膜2和发射端内层膜6材料相同，均为单层高温热致相变二氧化钒薄膜，其相变温度为68℃；所述接收端内层膜2和发射端内层膜6的厚度均为1000nm；
所述接收端外层膜3和发射端外层膜5材料相同，均为单层低温热致相变钨掺杂二氧化钒薄膜，其中钨掺杂的质量浓度为0.1～1％，其相变温度为28～68℃，钨掺杂二氧化钒薄膜中的钨的掺杂方式为通过高温扩散和离子注入的方式将钨离子掺杂到二氧化钒内部；所述接收端外层膜3和发射端外层膜5的厚度均为30nm；
所述接收端内层膜2和发射端内层膜6通过磁控溅射镀于接收端基底1和发射端基底7表面；所述接收端外层膜3和发射端外层膜5通过磁控溅射镀于接收端内层膜2和发射端内层膜6表面；
所述接收端复合结构和发射端复合结构的垂直间距为50nm；所述间隔物4为通过深紫外光刻和反应离子刻蚀制得的高为50nm的聚丙乙烯立方体阵列。
本实施方式中构成接收端内层膜2和发射端内层膜6的二氧化钒薄膜在341K左右发生绝缘体-金属相变，其相变前后的介电函数分别如图2和图3所示；图2中A-低于相变温度的介电常数的垂直光轴分量，B-低于相变温度的介电常数的平行光轴分量，C-高于相变温度的介电常数；图3中A-低于相变温度的介电常数的垂直光轴分量，B-低于相变温度的介电常数的平行光轴分量，C-高于相变温度的介电常数；由图2和图3可见，相变之后的VO2具有金属特性，在相当大的频率范围内具有负的介电函数实部和很大的介电函数虚部。从而不再存在表面声子激元和表面双曲激元的激发，进而会大幅度的衰弱其近场辐射换热能力。
本实施方式中构成接收端外层膜3和发射端外层膜5的钨掺杂二氧化钒薄膜，在不同钨离子掺杂浓度下，多级热逻辑开关的辐射热流密度与发射端温度的依赖关系如图4所示，图中虚线A、B、C、D、E、F分别对应钨掺杂浓度为0.74％、0.55％、0.36％、0.15％、0.01％、0％时进入or模式的温度。
从图4可以看出本发明的多级热逻辑开关三个模式之间具有很大离散程度离散热流信号，具体的将钨离子掺杂入二氧化钒后将会显著的降低其发生绝缘体-金属相变的温度，并且当掺杂浓度小于1％的时候不会显著的改变其光学参数，钨掺杂二氧化钒在绝缘体模式下仍然可以激发强烈的表面声子激元和表面双曲激元，从而保证了“ON”模式下该发明拥有较高的热流密度。当发射端的温度大于钨掺杂二氧化钒的相变温度但小于无掺杂二氧化钒的相变温度时，发射端外层膜系5转变为金属材质，发射端内层膜系6依然是绝缘体材质。因此，发射端外层膜系5的金属特性无法产生表面声子激元和表面双曲激元，导致“OR”模式下的热流量发生了下降，但由于发射端内层膜系6的绝缘材质特性依旧保有相应的激元共振模式，其产生的倏逝波可以穿过发射端外层膜系5到达接收端外层膜系3和接收端内层膜系2，从而产生了一定强度的辐射换热。但当发射端的温度高于无掺杂二氧化钒的相变温度时，发射端外层膜系5和发射端内层膜系6均变为金属材质，此时已经没有激元共振模式促进辐射换热强度，因此，此时该发明的辐射换热能力进一步降低，形成了“OFF”模式。
综上，本发明提供的这一多级热逻辑开关的内外膜系通过近场辐射进行换热，利用钨掺杂二氧化钒和无掺杂二氧化钒相变温度具有明显差值的特点，通过其各自的热致色变特性使得本发明的换热能力在钨掺杂二氧化钒和无掺杂二氧化钒的相变温度处发生显著的阶梯状变化，以提供更多的离散热信号。同时，本发明的多级热逻辑开关具有无功耗、无运动部件、轻质等优点，尤其适用于各类微小热电路中。

Claims (8)

1.一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，该多级热控逻辑开关由接收端复合结构、发射端复合结构和设置于二者之间的间隔物(4)构成，接收端复合结构和发射端复合结构之间通过间隔物(4)形成真空间隙(8)；所述接收端复合结构和发射端复合结构完全相同且相对于间隔物(4)对称设置，所述接收端复合结构由上至下依次为接收端基底(1)、接收端内层膜(2)、接收端外层膜(3)；所述发射端复合结构由上至下依次为发射端外层膜(5)、发射端内层膜(6)、发射端基底(7)；
所述接收端内层膜(2)和发射端内层膜(6)材料相同，均为高温热致相变二氧化钒薄膜；所述二氧化钒薄膜为单层或多层；所述二氧化钒薄膜的相变温度为68℃，所述接收端外层膜(3)和发射端外层膜(5)材料相同，均为低温热致相变钨掺杂二氧化钒薄膜；所述钨掺杂二氧化钒薄膜为单层或多层；所述钨掺杂二氧化钒膜层的相变温度＜68℃。
2.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，接收端基底(1)和发射端基底(7)材料相同，均为Au薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，所述钨掺杂二氧化钒薄膜中钨掺杂的质量浓度为0.1％～1％；所述钨掺杂二氧化钒薄膜中钨掺杂的方式为通过高温扩散和离子注入的方式将钨离子掺杂到二氧化钒内部。
4.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，所述接收端内层膜(2)和发射端内层膜(6)通过磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶或脉冲激光沉积镀于基底表面；所述接收端外层膜(3)和发射端外层膜(5)通过磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶或脉冲激光沉积镀于内层膜表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，所述接收端内层膜(2)和发射端内层膜(6)的厚度＞1000nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，所述接收端内层膜(2)和发射端内层膜(6)的厚度为1000nm～10000nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，所述接收端外层膜(3)和发射端外层膜(5)的厚度为10nm～200nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于近场热辐射的多级热控逻辑开关，其特征在于，所述接收端复合结构和发射端复合结构的垂直间距为50nm～1000nm。
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