专利名称：热开关元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及能够控制热的传输的热开关元件及其制造方法。
背景技术：
如果存在能够控制热的传输的热开关元件，则可以将上述元件应用于各种领域。例如，也能够将热开关元件应用于作为向特定的方向传输热的技术的冷却技术的领域，这时，也能够将上述元件称为冷却元件。
现有的冷却技术大致分成利用制冷剂的压缩以及膨胀循环的技术和利用热电现象的技术两类。在利用制冷剂的压缩、膨胀循环的情形中，主要将压缩机用于制冷剂的压缩。该技术，因为经过多年的压缩机技术的改良等具有卓越的效率，所以也广泛应用于冷冻机、电冰箱、空调等的民用设备中。但是，制冷剂很多使用氟里昂，被指责在它的对环境特性方面存在问题。现在，作为制冷剂正在研讨氟里昂以外的替代品，但是现在还没有开发出通过压缩、膨胀循环表示出与氟里昂同等或在其以上的热传输特性的制冷剂材料。
另一方面，利用热电现象的元件(热电元件)是不用制冷剂实现冷却的元件，不仅对环境特性方面十分优越，而且因为不需要机械的构造所以具有能够实现免除维护等的卓越的特性。作为这种热电元件，帕耳帖(peltier)元件是代表性的。但是，在现在的技术中效率低，除了一部分例外之外，不能够应用于电冰箱和空调等中。例如，当使用制冷剂时，电冰箱等的使用温度(例如，-25℃～25℃的范围)中的卡诺效率大约在30％～50％的范围内，但是帕耳帖元件的效率却不到10％。此外，帕耳帖元件以外的有希望的电热元件还没有开发出来。
因此，人们正在寻求可以不用氟里昂等制冷剂进行热传输的，并且与已有的热电元件不同的热开关元件。
此外，也能够通过将热开关元件与热传导体、绝热体、发热体等组合起来，实现具有与电路元件类似的构造、功能等的热固体电路元件。为了控制热的传输，需要对传输热的电子进行能动的控制。但是，在已有的热电元件中，能动的电子控制是困难的。例如，可以将热电现象考虑为在材料中伴随着漂移传导电子产生的热移动的现象。对于热电元件的特性(热电特性)来说，一般使用热电指数ZT来表示，ZT越大元件的效率越高。热电指数ZT是由公式S2T/κρ(S热电能、T绝对温度、κ热传导率、ρ电阻率)所表示的值，表示元件中的电子的传输特性对热电特性具有很大的贡献。从而，我们要考虑元件中的电子密度等对元件的热电特性给予的影响，但是在帕耳帖元件等已有的电热元件中要能动地控制电子的传输特性是困难的。
发明内容
本发明就是鉴于这种状况提出的，本发明的目的在于提供一种通过具有与已有完全不同的构成，能够控制热的传输的热开关元件及其制造方法。
本发明的热开关元件是包含第一电极、第二电极以及配置在上述第一电极和上述第二电极之间的转变体，上述转变体包含通过施加能量来进行电子相转变的材料，通过将上述能量施加到上述转变体上，来使上述第一电极和上述第二电极之间的热传导率发生变化的元件。
下面，本发明的热开关元件的制造方法是该热开关元件包含第一电极、第二电极、配置在上述第一电极和上述第二电极之间的转变体、以及配置在上述转变体和上述第二电极之间的绝缘体，上述转变体包含通过施加能量进行电子相转变的材料，上述绝缘体是真空，通过将上述能量施加到上述转变体上，来使上述第一电极和上述第二电极之间的热传导率发生变化的热开关元件的制造方法，包含(I)通过以面对上述第二电极和上述转变体的方式将包含转变体以及第一电极的层积体和第二电极配置在预定的间隔上，在上述第二电极和上述转变体之间形成空间的步骤、和(II)通过使上述空间保持真空，在上述第二电极和上述转变体之间形成绝缘体的步骤。
本发明的热开关元件的制造方法也可以说是这样的热开关元件的制造方法，其中，在上述本发明的热开关元件中，还包含绝缘体，将上述绝缘体配置在上述转变体和上述第二电极之间，上述绝缘体是真空。
此外，本发明的热开关元件的制造方法是这样的热开关元件的制造方法，其中，所述热开关元件包含第一电极、第二电极、配置在上述第一电极和上述第二电极之间的转变体、以及配置在上述转变体和上述第二电极之间的绝缘体，上述转变体包含通过施加能量来进行电子相转变的材料，上述绝缘体是真空，通过将上述能量施加到上述转变体上，使上述第一电极和上述第二电极之间的热传导率发生变化，所述热开关元件的制造方法还可以包含(i)通过以面对上述第二电极和上述转变体的方式将转变体和第二电极配置在预定的间隔上，而在上述第二电极和上述转变体的之间形成空间的步骤、(ii)通过使上述空间保持真空，而在上述第二电极和上述转变体的之间形成绝缘体的步骤、和(iii)以将上述转变体配置在上述第二电极和第一电极之间的方式，来配置上述第一电极的步骤。
此外，本发明的热开关元件的制造方法是这样一种热开关元件的制造方法，其中，该热开关元件包含第一电极、第二电极、配置在上述第一电极和上述第二电极之间的转变体、以及配置在上述转变体和上述第二电极之间的绝缘体，上述转变体包含通过施加能量进行电子相转变的材料，上述绝缘体是真空，通过将上述能量施加到上述转变体上，来使上述第一电极和上述第二电极之间的热传导率发生变化，上述热开关元件的制造方法，包含，(A)以第一电极、转变体、包含比上述转变体更容易力学地破坏的材料的中间体和第二电极的顺序，形成包含它们的层积体的步骤、(B)通过在上述层积体的层积方向伸长上述层积体来破坏上述中间体，通过除去上述破坏了的中间体，而在上述转变体和上述第二电极之间形成空间的步骤、和(C)通过将上述空间保持真空，而在上述第二电极和上述转变体之间形成绝缘体的步骤。
图1A和图1B是表示本发明的热开关元件的一个例子的模式图。
图2是表示本发明的热开关元件的另一个例子的模式截面图。
图3是表示能够用于本发明的热开关元件的绝缘体的构造的一个例子的模式图。
图4是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子的模式图。
图5是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的一个例子的模式图。
图6是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子的模式图。
图7A和7B是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的另一个例子的模式图。
图8A和图8B是表示能够用于本发明的热开关元件的磁通量引导器的一个例子的模式图。
图9是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图10A和10B是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图11是表示能够用于本发明的热开关元件的磁通量引导器的另一个例子的模式图。
图12A和12B是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图13是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图14A和14B是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图15是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图16是表示在本发明的热开关元件上施加能量的方法的又一个别的例子的模式图。
图17是表示本发明的热开关元件的制造方法的一个例子的模式图。
图18A～18D是表示本发明的热开关元件的制造方法的另一个例子的模式工序图。
图19是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子的模式图。
图20A～20E是表示图19所示的热开关元件的制造方法的一个例子的模式工序图。
图21是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子的模式图。
图22是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子的模式图。
图23是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子、和在上述一个例子中的能量的施加方法的一个例子的模式图。
图24是表示本发明的热开关元件的又一个别的例子的模式图。
具体实施例方式
下面，在参照附图的同时对本发明的实施方式进行说明。其中，在下面的实施方式中，在相同的部分上标注相同的标号，并省略对它们的重复说明。
图1A和图1B表示本发明的热开关元件的一个例子。图1A和图1B所示的热开关元件1包含电极2a、电极2b、以及配置在电极2a和电极2b之间的转变体3。转变体3包含通过施加能量进行电子相转变的材料(以下，简单地称为“相转变材料”)，通过将能量施加到转变体3上，使电极2a和电极2b之间的热传导率发生变化。转变体3是传导热的介质，并且担当着控制热传输的控制体的作用。根据这种构成，能够形成通过施加能量而能够控制热传输的热开关元件1。此外，在本发明的热开关元件1中，能够不用氟里昂等的制冷剂控制热传输。而且，与作为现有的电热元件的帕耳帖元件的情形相比，可以提高效率，也可以减少作为组成本发明的热开关元件的热器件整体的能量消耗量。其中，图1A是由图1B所示的平面A切断图1B所示的热开关元件1的模式截面图。
在本发明的热开关元件1中，对伴随着将能量施加到转变体3上的热传导率的变化形态并没有特别的限定。例如，既可以形成通过将能量施加到转变体3上，使热比施加上述能量前更容易经过一对电极2a和电极2b之间移动的状态，也可以形成使热难以移动的状态。换句话说，当将热相对容易地经过热开关元件1中的电极2a和电极2b之间移动的状态(即，转变体3内部的热移动相对容易的状态)作为ON(接通)状态，将热相对地难以经过电极2a和电极2b之间移动的状态(即，转变体3内部的热移动相对困难的状态)作为OFF(断开)状态时，通过将能量施加到转变体3上，则既可以使热开关元件1成为ON状态，也可以使热开关元件1成为OFF状态。其中，在上述的OFF状态中，最好使上述热传导率尽可能地小。此外，伴随将能量施加到转变体3上的电极2a和电极2b之间的热传导率变化既可以是线性的，也可以是非线性的。例如，既可以存在使热传导率的变化的施加能量的阈值，也可以对于在转变体3上施加的能量，热传导率的变化具有滞后现象。这些热传导率的变化的形态，例如，能够通过选择转变体3包含的相转变材料进行调节。其中，在本说明书中，将上述热移动相对容易的状态作为热开关元件中的ON状态，上述热移动相对困难的状态作为热开关元件的OFF状态。
这里，所谓的电子相转变指的是与有无构造相转变(例如，从固体到液体的变化等物质构造本身发生变化的相转变)无关物质中的电子状态发生变化的相转变。因此，转变体3也可以说包含通过施加能量使电子状态发生变化的材料。在本发明的热开关元件1中，能够通过转变体3内的电子状态的变化来控制热的传输。
一般，固体物质的热传导由声子贡献的成分和电子传导贡献的成分之和来表示。对于声子贡献的成分来说，是能够称为由物质的晶格振动而引起传导的热成分，也可以将该传导的容易性称为晶格热传导率。对于电子传导贡献的成分来说，是能够称为由物质中包含的电子移动而引起传导的热成分，也可以将该传导的容易性称为电子热传导率。因为电子相转变是伴随着物质中的电子状态的变化的相转变，所以本发明的热开关元件1能够称为是通过施加能量而至少使转变体3内的电子热传导率发生变化的元件。通过这些伴随着施加能量的转变体3的电子热传导率的变化，而能够控制电极2a和电极2b之间的热传输。
作为这种电子相转变的一个例子，可以举出绝缘体-金属转变。即，在本发明的热开关元件1中，也可以通过施加能量而使转变体3进行绝缘体-金属转变。转变到金属状态的转变体3不一定需要其整体都是金属相，转变体3可以部分地包含金属相。从作为热开关元件的特性的观点出发，当进行这种转变时，最好使转变体3处于绝缘体状态时的热传导率尽可能地小。换句话说，最好使转变体3的晶格热传导率尽可能地小。其中，即便在转变体3进行绝缘体-金属转变换的情形中，也同样地最好使转变体3的晶格热传导率尽可能地小。
这样，在本发明的热开关元件1中，通过在转变体3上施加能量，而能够控制经过电子的热传输。这时，考虑控制经过热电子的热传输。换句话说，在使热相对容易地经过电极2a和电极2b之间移动的状态(使热相对容易地经过转变体3移动的状态ON状态)中，可以说转变体3处于热电子相对容易地移动的状态。在使热相对地难以经过电极2a和电极2b之间移动的状态(使热相对地难以经过转变体3移动的状态OFF状态)中，可以说转变体3处于热电子移动相对困难的状态。我们认为在本发明的热开关元件1中，这种热电子移动状态的变化是由伴随着将能量施加到转变体3上的电子相转变而引起的。
这里，所谓的热电子指的是“伴随着热移动的电子”。一般，在很多情形中将热电子称为当加热金属和半导体时从其表面飞出的电子。在本发明的热开关元件1中通过转变体3传输的电子不限定于上述一般所谓的热电子，可以是伴随着热移动的电子。本发明的热开关元件是首次通过将施加能量控制热传输的转变体配置在电极间和用于转变体等的各层的材料的组合、各层的构成、配置等可以实现的元件。
从而，例如，我们考虑到JP-01(1989)-216582A所示的那种超导开关和本发明的热开关元件的构成完全不同。JP-01(1989)-216582A所示的超导的状态在物理上与超流动状态类似，具有理想的热绝缘性质。因此，我们认为在上述引用的例子中揭示的超导开关中，要进行在本发明的热开关元件中可能的热传输控制是困难的。与此相反，在本发明的热开关元件1中的转变体3处于电子移动相对容易的状态中，可以是通常传导，即不是超导的状态。
在本发明的热开关元件1中，对施加在转变体3上的能量没有特别的限定。例如，可以施加从电能、光能、力学能、磁能和热能选出的至少一种能量。可以与转变体3中包含的相转变材料的种类相应地适当选择使用哪种能量。其中，既可以在转变体3上施加多种能量，也可以在这种情形中同时施加上述多种能量，需要时也可以设置顺序地施加每一种能量。例如，也可以在将电能施加到转变体3上后，再施加光能、力学能等的能量。对施加各个能量的方法没有特别的限定。
在转变体3上施加电能，例如，也可以通过将电子或者空穴(hole)注入到转变体3来进行。此外，也可以通过在转变体3中感应出电子或者空穴来进行。在转变体3中注入或者感应出电子或空穴，例如，可以通过在电极2a和电极2b之间生成电压差来进行，更具体地说，例如，可以通过在电极2a和电极2b之间施加电压来进行。关于其它的施加电能时的更具体的构成例，施加其它能量时的构成例等将在后面述说。
对热开关元件1的形状、尺寸等没有特别的限定，可以与作为热开关元件1需要的特性相应地任意设定。例如，如图1A和图1B所示，也可以具有层积层状的电极2a、转变体3和电极2b的构造。在具有这种层积构造的情形中，热开关元件1的元件面积，例如，在1×102nm2～1×102cm2的范围内。其中，元件面积是从各层的层积方向(例如，图1B所示的箭头B的方向)观看元件时的面积。
现在，说明热开关元件1中的转变体3。转变体3，例如，作为相转变的材料可以包含下面所示的材料。
转变体3，例如，也可以包含具有由式AxDyOz所表示的组成的氧化物。这里，A是从碱金属(Ia族)、碱土类金属(IIa族)、Sc、Y和稀土类元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er)选出的至少一种的元素，D是从IIIa族、IVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族和Ib族选出的至少一种的迁移元素(本发明的说明书中的元素的族表示是根据IUPAC(1970)进行的。如果根据IUPAC(1970)进行族表示，则上述迁移元素成为从3族、4族、5族、6族、7族、8族、9族、10族和11族选出的至少一种的迁移元素)。O是氧。上述氧化物一般具有结晶构造，具有基本上元素D进入对应的结晶格子的单位胞中的中心位置，多个氧原子围在处于中心位置的原子周围的构造。
x、y、z只要是正数就没有特别的限定。其中，最好具有满足下面所示的组合的数值，通过该组合能够将上述氧化物分成多个类别。转变体3也可以包含属于下面所示的各类别的氧化物。在属于各类别的氧化物中的x、y和z的值不一定需要是完全满足下面所示值(包含例示)，例如，也可以是缺损一部分氧的的氧化物，也可以少量掺杂元素A和元素D以外的元素(例如，IIa～Vb族元素等)。此外，下面所示的类别在本发明的技术领域中作为技术常识不是固定的，是为了容易了解氧化物的说明，为了方便而设定的类别。
-类别1-x、y和z是满足x＝n+2、y＝n+1和z＝3n+4的数值。这里，n为0、1、2、或3。
在属于该类别的氧化物中，可以举出，例如，Sr2RuO4和(La，Sr)2CoO4等的xyz指数为(214)的氧化物、Sr3Ru2O7和(La，Sr)3Mn2O7等的xyz指数为(327)的氧化物。这些氧化物是表示所谓的Ruddlesden-Popper构造的氧化物。
此外，当n＝0时，在本类别的氧化物中，也可以包含将元素D配置在元素A的位置上，和/或，将元素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表示的组成的氧化物和具有由式DxDyOz表示的组成的氧化物等。更具体地说，例如，也可以包含具有Mg2TiO4、Cr2MgO4、Al2MgO4(xyz指数为(214))等的尖晶石型构造的氧化物、Fe2CoO4、Fe2FeO4(即，Fe3O4)等的不包含元素A的氧化物(xyz指数为(214))等。
-类别2-x、y和z是满足x＝n+1、y＝n+1和z＝3n+5的数值。这里，n为1、2、3或4。在属于该类别的氧化物中，可以举出，例如，部分地具有氧的嵌入(intercalation)氧化物。
-类别3-x、y和z是满足x＝n、y＝n和z＝3n的数值。这里，n为1、2或3。在属于该类别的氧化物中，当n＝1时，可以举出，例如，具有SrTiO3、BaTiO3、KNbO3、LiNbO3、SrMnO3、SrRuO3等的钙钛矿(perovskite)型结构的氧化物。此外，当n＝2时，可以举出，例如，Sr2FeMoO6、SmBaMn2O6等的xyz指数为(226)的氧化物。
-类别4-x、y和z是满足x＝n+1、y＝n和z＝4n+1的数值。这里，n为1或2。在属于该类别的氧化物中，当n＝1时，可以举出，例如，Al2TiO5、Y2MoO5等的xyz指数为(215)的氧化物。此外，当n＝2时，可以举出，例如，SrBi2Ta2O9等的氧化物。
-类别5-x、y和z是满足x＝0或1、y＝0或1、z＝1的数值。这里，从x和y选出的某一方为0。在属于该类别的氧化物中，可以举出，例如，BeO、MgO、BaO、CaO、NiO、MnO、CoO、CuO、ZnO等。
-类别6-x和y是满足x＝0、1或2、y＝0、1或2的数值。这里，从x和y选出的某一方为0，z为当x为0时，在y的值上加上1的值，当y为0时，在x的值上加上1的值。在属于该类别的氧化物中，可以举出，例如，TiO2、VO2、MnO2、GeO2、CeO2、PrO2、SnO2、Al2O3、V2O3、Ce2O3、Nd2O3、Ti2O3、Sc2O3、La2O3等。
-其它类别-例如，当x＝0或2、y＝0或2和z＝5时，可以举出Nb2O5、V2O5、Ta2O5等的氧化物。但是，从x和y选出的某一方为0。
转变体3也可以包含多类上述氧化物。例如，也可以包含具有在同一类别中将n值不同的氧化物的构造单位胞和小单位胞组合起来的超晶格的氧化物。作为具体的类别，可以举出，例如，上述的类别1(表示Ruddlesden-Popper型构造的氧化物)和类别2(具有氧化的氧化物)等。具有这种超晶格的氧化物，例如，单独或多个元素D的氧八面体层，具有由包含元素A和氧的一个以上的块层分离的晶格构造。
此外，转变体3也可以包含强相关电子系材料。例如，也可以包含模式绝缘体。
此外，转变体3也可以包含磁性半导体。在构成磁性半导体的母材的半导体中，例如，可以用化合物半导体。具体地说，例如，可以将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族化合物半导体用作母材，在这些化合物半导体中加上从Iva族～VIII族和IVb族选出的至少一种元素的磁性半导体。
或者，也可以用具有由式Q1Q2Q3表示的组成的磁性半导体。这里，Q1是从Sc、Y和稀土类元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er)、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Ni和Zn选出的至少一种的元素，Q2是从V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni选出的至少一种的元素。Q3是从C、N、O、F和S选出的至少一种的元素。元素Q1、元素Q2和元素Q3的组成比没有特别的限定。
或者，也可以用具有由式R1R2R3表示的组成的磁性半导体。这里，R1是从B、Al、Ga和In选出的至少一种的元素，R2是从N和P选出的至少一种的元素。R3是从IVa族～VIII族和IVb族选出的至少一种的元素。元素R1、元素R2和元素R3的组成比没有特别的限定。
或者，也可以用具有由式ZnOR3表示的组成的磁性半导体。这里，R3是上述的元素R3，Zn是锌，O是氧。Zn、O和元素R3的组成比没有特别的限定。
或者，也可以用具有由式TOR3表示的组成的磁性半导体。这里，T是从Ti、Zr、V、Nb、Fe、Ni、Al、In和Sn选出的至少一种的元素，R3是上述的元素R3，O是氧。元素T、O和元素R3的组成比没有特别的限定。
此外，转变体3也可以包含由从外部给予的电场进行磁性-强磁性转变的材料。例如，可以用La(Fe，Si)和FeRh等。这时，能够通过在转变体3上施加电能来进行电子相转变。
此外，当通过在转变体3上施加热能进行电子相转变时，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。
对转变体的形状、尺寸等没有特别的限定，可以与作为热开关元件1需要的特性相应地任意设定。在如图1A和图1B所示为层状的转变体3的情形中，转变体3的厚度。例如，在0.3nm～100μm的范围内。最好是在0.3nm～1μm的范围内。转变体3的面积(例如，从图1B所示的箭头B的方向看的面积)可以与作为热开关元件1需要的元件面积相应地任意设定。此外，转变体3，也可以层积多个层，各层的厚度、所含材料等可以与作为转变体3需要的特性相应地任意设定。
用于电极2a和2b的材料如果是具有导电性的材料则没有特别的限定。例如，可以用线电阻率在100μΩcm以下的材料，具体地说例如，可以用Cu、Al、Ag、Au、Pt、TiN等。此外，需要时也可以用半导体材料。当用半导体材料时，功函数小的材料是令人满意的。此外，电极2a和2b的形状、尺寸等也没有特别的限定，可以与作为热开关元件1需要的特性相应地任意设定。
下面，说明本发明的热开关元件的构成例。
图2是表示本发明的热开关元件的另一个例子的模式截面图。
图2所示的热开关元件1对于图1A和图1B所示的热开关元件1进一步包含绝缘体4，将绝缘体4配置在转变体3和电极2b之间。在这种热开关元件1中，因为绝缘体4的热传导性小，所以当转变体3处于OFF状态时，能够使作为热开关元件1整体的热传导性进一步减小。此外，如后面所述，通过配置绝缘体4，也能够作为从一方电极到另一方电极传导热的冷却元件。
绝缘体4的热传导率比OFF状态中的转变体3(例如，如果是进行绝缘体-金属转变的转变体3，则是绝缘体状态中的转变体3)的热传导率性小是令人满意的。能够形成效率更高的热开关元件1。
考虑如图2所示在配置了绝缘体4的热开关元件1中，经过电极2a和电极2b之间传导的电子(热电子)感应的间隙电位伴随着转变体3的电子相转变发生大的变化的情形。例如，在热移动相对容易的ON状态(例如，如果是进行绝缘体-金属转变的转变体3，则处于包含金属相的状态)中，热电子从面对转变体3中的绝缘体4的端部经过绝缘体4传导到电极2b。从确保这时的热电子传导的观点出发，绝缘体4的厚度，例如，可以在50nm以下的范围内，进一步从热的传输效率的观点出发，最好在15nm以下的范围内。其中，对绝缘体4的厚度的下限没有特别的限定，例如，可以在0.3nm以上即可。其中，对绝缘体4的形状没有特别的限定，可以与转变体3和电极2b等的形状相应任意地设定。
在配置了绝缘体4的热开关元件1中，热电子越过绝缘体4从电极2a(或者从转变体3)传输到电极2b。这时，我们认为热电子通过隧道传输和弹道传输，所谓的热离子的(thermionic)传输等经过绝缘体4，而传输到电极2b。传输的方法与用于绝缘体4的材料、绝缘体4的厚度(即，上述的间隙电位)等有关而不同。换句话说，例如，通过控制用于绝缘体4的材料和绝缘体4的厚度，也可以控制传输的方法。
作为绝缘体4，例如，也可以使用真空。当作为绝缘体4使用真空时，能够使元件的构成简单化。我们将在后面叙述作为绝缘体4使用真空的热开关元件的作成方法。此外，所谓的真空可以是，例如，约1Pa以下压力的气氛。此外，当作为绝缘体4使用真空时，可以认为基本上热离子的传输热电子。与绝缘体4的厚度有关，也可以考虑存在着隧道传输的热电子。
此外，作为绝缘体4，例如，也可以用氧化物等的陶瓷和树脂等的一般的固体状绝缘材料。这时，作为绝缘体4，使用处于非晶形或微晶状态的绝缘体是令人满意的。其中，本说明书中的微晶状态指的是平均晶体直径在10nm以下的晶粒分散在非晶形的基体中的状态。当使用固体状的绝缘体时，形成绝缘体4作为隧道绝缘体是令人满意的。当绝缘体4是隧道绝缘体时，使传输热的热电子隧道传输经过绝缘体4。为了形成隧道绝缘体，例如，一般可以用具有隧道绝缘性的材料。更具体地说，例如，可以用Al、Mg等的氧化物、氮化物、氧氮化物等。作为隧道绝缘体时的绝缘体4的厚度，例如，在0.5nm～50nm的范围内，最好是在1nm～20nm的范围内。
此外，作为绝缘体4，例如，也可以用无机高分子材料。作为无机高分子材料，例如，也可以用硅酸盐材料和铝硅酸盐材料等。在图3中表示了无机高分子材料的构造的一个例子。如图3所示，硅酸盐材料和铝硅酸盐材料等的无机高分子材料具有多孔质的构造，一面是固体，一面是在其内部具有无数的中空区域5。因为中空区域5的平均直径比空气的平均自由工程的距离小，在中空区域5的内部中的气体的迁移率实质上很小，所以无机高分子材料难以传输热。因此，也可以原封不动地用作绝缘体4，但是例如，通过在中空区域5中充填热传导率小的气体或者使中空区域5形成真空，能够形成热传导率更小的绝缘体4。
现在，更详细地说明图3所示的无机高分子材料。图3所示的无机高分子材料包含形成整体的骨格的母材6。母材6是平均粒径约为数nm的粒子，通过形成三维的网格而形成多孔质构造的骨格。无机高分子材料，一面使用由母材6形成的骨格而保持作为固体的形状，一面包含无数的平均直径约为数nm～数十nm的连续的中空区域5。如图2所示那样配置由这种多孔质构造构成的绝缘体4，当转变体3处于ON状态时，在电极2a和电极2b之间施加电压时(通过在电极2a和电极2b之间施加电压而也可以使转变体3处于ON状态)，电场集中在由母材6形成的骨格部分。通过该电场的集中，而能够高效率地从电极或者转变体将热电子供给到绝缘体4的内部，将供给的热电子发射传导到绝缘体4的内部。认为这时的热电子传导主要是通过弹道的传输进行的。这种电场集中的效果是通过使绝缘体4形成图3所示的多空质构造而变得显著的效果，与绝缘体4没有图3所示的多空质构造的情形比较，能够降低为了传输热电子而施加在电极2a和电极2b之间的电压。
其中，在图3所示的无机高分子材料中，要考虑供给的一部分热电子被形成多孔质构造的母材6等的固相区域所散射，失去能量。但是，由于固相区域大小的平均数约为nm，所以认为能够将供给的多数热电子用于热的传输。
此外，图3所示的无机高分子材料进一步包含具有与中空区域5的平均直径同程度或者在其以下的平均粒径的电子发射材料7，以与母材6连接的方式将电子发射材料7分散配置在无机高分子材料中。在这样包含电子发射材料7的无机高分子材料中，即便一部分热电子被上述固相区域所散射，通过将散射的热电子传输到电子发射材料7进行再发射，而能够再次担当起热的传输。关于再发射热电子被固相区域再次散射的情形也是同样的。因此，能够形成效率更高的热开关元件。电子发射材料7最好是功函数小的材料，具体地说，例如，最好用碳材料、Cs化合物、碱土类金属化合物等，它的平均粒径在约数nm～数十nm的范围内。此外，图3中所示的“e-”表示再发射电子的状态。
作为绝缘体4，不限定于上述无机高分子材料，也可以用具有同样的中空区域，例如，连续的空孔或独立的空孔的绝缘材料。能够得到与用上述无机高分子材料的情形同样的效果。这种绝缘材料能够用在形成成为母材的粉体后进行粉体烧结的方法和化学发泡、物理发泡、溶胶凝胶法等的方法形而成。但是，最好具有无数的平均粒径在约数nm～数十nm的空孔。此外，与无机高分子材料同样，也可以包含电子发射材料。能够得到与无机高分子材料的情形同样的效果。
具体地说，例如，也可以用溶胶凝胶法作成的干燥凝胶。上述干燥凝胶是具有由平均粒径在约数nm～数十nm范围的粒子构成的骨格部分和平均直径在约100nm以下的连续的中空区域的毫微米多孔质体。作为凝胶的材料，例如，从高效率地集中上述电场的观点出发，半导体材料或者绝缘材料是令人满意的，其中，最好用硅石(氧化硅)。关于作为用硅石的干燥凝胶的多孔质硅石凝胶的制作方法在后面述说。
图4表示本发明的热开关元件的又一个别的例子。图4所示的热开关元件1对于图2所示的热开关元件进一步包含电极8，并将电极8配置在转变体3和绝缘体4之间。通过这种构成，而能够形成效率更高的热开关元件1。
用于图8的材料可以与用于上述电极2a和电极2b的材料同样。其中，对真空能级的功函数小(例如，2eV以下)的材料是令人满意的。具体地说，例如，可以用Cs化合物和碱土类金属化合物等。当用这种材料时，能够更高效率地向绝缘体4供给热电子。
电极8的形状、尺寸等没有特别的限定，可以与作为热开关元件1需要的特性相应地任意设定。例如，在是图4所示的层状的电极8的情形中，它的厚度，例如，在从亚毫微米量级到数μm的范围内。
此外，图1、图2和图4所示的热开关元件1中的各层之间，需要时也可以进一步配置别的材料。
下面，说明将能量施加到本发明的热开关元件中的转变体的方法。
图5是说明将电能施加到转变体3的方法的一个例子的模式图。如图5所示，进一步包含将能量施加到转变体3的电极10和绝缘体9，通过将绝缘体9配置在转变体3和电极10之间，而能够将电能施加到转变体3上。具体地说，例如，可以在电极10和转变体3之间施加电压Vg。通过施加电压Vg，例如，能够在转变体3中注入或感应出电子或空穴，能够在转变体3上施加能量。注入或感应出的电子能够原封不动地作为热电子而担当起热的传输。
图6表示包含图5所示的构造的热开关元件的一个的例子。图6所示的热开关元件1，对于图4所示的热开关元件1，进一步包含绝缘体9和电极10。以由转变体3和电极10夹持绝缘体9的方式配置绝缘体9和电极10。此外，以不对电极2a和电极2b的电位给予影响的方式，具体地说，以使与施加电压Vg的方向大致与在转变体3内部传导热电子的方向垂直的方式配置绝缘体9和电极10。在图6所示的热开关元件1中，通过在转变体3和电极10之间施加电压Vg，而能够使转变体3进行电子相转变。此外，在图6所示的例子中，也可以在电极10和电极2a之间施加电压Vg。其中，在本发明的热开关元件中，对施加电压Vg的方法并没有特别的限定。例如，可以将不同配置的电压施加单元和本发明的热开关元件电连接起来。当将本发明的热开关元件装入电路中时，电压施加单元，例如，也可以包含上述电路。其它，只要能够将电位差给予在本发明的热开关元件中要施加电压的区域之间(例如，如果是图6所示的例子，则在转变体3和电极10之间)，就可以任意地设定施加电压Vg的方法、构成等。
用于电极10的材料，可以与用于上述电极2a和电极2b的材料相同。此外，用于绝缘体9的材料，如果是绝缘材料、半导体材料则没有特别的限定。例如，可以用从包含Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta和Cr的IIa族～VIa族的元素、和包含镧系(包含La、Ce)、Zn、B、Al、Ga和Si的IIb族～IVb族的元素选出的至少一种的元素、和从F、O、C、N和B选出的至少一种的元素的化合物。具体地说，例如，可以用SiO2、Al2O3、MgO等，作为半导体，可以用ZnO、SrTiO3、LaAlO3、AlN、SiC等。
对绝缘体9的形状、尺寸等没有特别的限定，例如，在如图6所示为层状的情形中，其厚度处于例如从亚毫微米的量级到数μm的范围内。
图7A和7B是用于说明将磁能施加到转变体3的方法的一个例子的模式图。图7A和7B所示的构造与图5所示的构造相同，但是代替施加电压Vg，能够通过在电极10中流过电流11产生磁场12，将产生的磁场12导入转变体3中来将能量施加到转变体3上。其中，图7A和7B所示的构造是与图1A同样截断的模式截面图。
包含图7A和7B所示的构造的热开关元件，例如，可以是具有图6所示的构造的热开关元件1，代替施加电压Vg，可以在电极10中流过电流，将产生的磁场导入到转变体3中。通过在电极10中流过电流，而能够使转变体3电子相转变。此外，也可以同时或设定顺序地施加电压Vg和在电极10中流过电流产生磁场导入到转变体3中。能够将电能和磁能两者施加到转变体3上。其中，当将磁能施加到转变体3上时，绝缘体9的厚度(也可以说是电极10和转变体3的距离)处于例如数nm～数μm的范围内。此外，只要不使电极10和转变体3电短路，也可以不一定配置绝缘体9。例如，也可以将电极10和转变体3配置在离开约数nm～数μm的距离上。
当将磁能施加到转变体3上时，也可以是使会聚在电极10上产生的磁场的磁通量引导器与电极10相接，或者，配置在电极10的近旁。通过配置磁通量引导器，能够高效率地将磁场12导入到转变体3中，形成更高效率的热开关元件。
配置的磁通量引导器的形状，只要能够会聚在电极10上产生的磁场，就没有特别的限定。可以与作为热开关元件需要的特性、制造过程上的要求等相应地，任意地设定。例如，如图8A所示，将磁通量引导器13和电极10组合起来时的截面既可以是矩形，也可以是如图8B所示是台形。如图8B所示的例子那样当是台形时，因为能够在离开作为导入磁场的对象的转变体3越近的位置流过越多的电流，所以能够更高效率地将磁场导入到转变体3中。其中，在图8A和图8B所示的例子中，形成使电极10与磁通量引导器13紧密接触的形状，但是不一定需要使两者紧密接触。但是，当使两者紧密接触时，能够高效率地将磁场导入到转变体3中。此外，在图8A和图8B中，为了容易理解说明，省略了电极2a、电极2b等的图示。在以后的图中，也存在着同样省略了电极2a、电极2b等的图示的情形。当实际用作热开关元件时，可以将电极2a和电极2b，此外，在需要时将电极8、绝缘体4等配置在任意位置上。
用于磁通量引导器13的材料，只要能够会聚在电极10上产生的磁场，就没有特别的限定，例如可以用强磁性材料。更具体说，例如，可以用包含从Ni、Co和Fe选出的至少一种元素的软磁性合金膜。
此外，用于磁通量引导器13的强磁性材料不具有过大的保磁力是令人满意的。当用具有过大的保磁力的强磁性材料作为磁通量引导器时，存在着由于磁通量引导器13自身的磁化保持降低了施加在转变体3上的磁场的控制性，或者因为使磁通量引导器13自身的磁化方向发生变化需要多余的能量，而使作为热开关元件的效率下降的可能性。
图9表示将磁能施加到转变体3的方法的另一个例子。为了将磁能施加到转变体3上，也可以形成图9所示的构造。在图9所示的例子中，以围绕转变体3的方式配置电极10，能够在面对转变体3的两侧面(图9所示的侧面C和侧面D)的电极10中流过相位相反的电流。因此，能够增强导入到转变体3的磁场，形成更高效率的热开关元件。
图10A和10B表示将磁能施加到转变体3的方法的又一个别的例子。在图10A和10B所示的例子中，对于图9所示的例子，进一步配置磁通量引导器13。此外，只将磁通量引导器13配置在作为导入磁场的对象的转变体3的近旁。这时，不会使磁通量引导器13具有的保磁力不必要地增大，能够更高效率地将磁场导入到转变体3中。其中，图10B是在图10A所示的C-D方向截断图10A的截面图。
此外，为了将磁通量引导器13配置在转变体3的近旁，如图11所示，也可以分割磁通量引导器13来进行配置。这时，能够进一步抑制磁通量引导器13具有的保磁力的增大，并且能够更高效率地将磁场导入到转变体3中。其中，图11所示的例子除了磁通量引导器13以外与图10A和10B所示的例子相同。
图12A和12B表示将磁能施加到转变体3的方法的又一个别的例子。在图12A和12B所示的例子中，能够更高效率地将磁场导入转变体3。其中，转变体3根据垂直方向的磁场进行反应的情形是令人满意的。
图13是表示将光能施加到转变体3的方法的一个例子的模式图。如图13所示，为了将光能施加到转变体3，可以将光14入射到转变体3。当将光14入射到转变体3时，如图14A所示，既可以将光14直接入射到转变体3，也可以如图14B所示经过电极2a和/或电极2b将光14入射到转变体3。
在经过电极2a和/或电极2b将光14入射到转变体3的情形中，光14入射的电极(在图14B所示的例子中，电极2b)需要具有对光14的透过性。因此，可以与入射光的频带相应地选择用于上述电极的材料。当入射光是可见光和/或红外光时，可以将例如，ITO(IndiumTin Oxide(铟锡氧化物))和ZnO等用作电极材料。当入射光为兆兆赫兹光时，可以将例如MgO等用作电极材料。此外，对光透过电极的程度，例如，电极的光透过率没有特别的限定，可以与作为热开关元件需要的特性相应地任意设定。此外，将光入射到转变体3的方法，只要能够将光入射到转变体3就没有特别的限定。例如，在图4所示的热开关元件1中，也将对入射到转变体3的光具有透过性的材料用于电极8和绝缘体4，也可以从电极2b侧入射光。
图15是表示将热能施加到转变体3的方法的一个例子的模式图。在图15所示的例子中，将发热体15配置在转变体3和电极10之间，通过在电极10中流过电流在发热体15中流过电流而使发热体15发热。通过这样做，能够将热能施加到转变体3。可以将通过流过电流而发热的材料，例如电阻体等用于发热体15。此外，需要时也可以将其它层，例如，绝缘体配置在发热体15和转变体3之间。
此外，不限于图15所示的例子，对将热能施加到转变体3的方法没有特别的限定。例如，也可以通过将光或电波照射在图10所示的发热体上而使其发热，将热能施加到转变体3上。此外，也可以通过由流过电极10的电流使电极10自身发热，将热能施加到转变体3上。
图16是表示将力学能施加到转变体3的方法的一个例子的模式图。在图16所示的例子中，将变位体16配置在转变体3和电极10之间，通过在电极10中流过电流而使变位体16变形。即，通过配置变位体16，能够将作为力学能的一种的压力施加到转变体3。
例如，可以将压电材料和磁致伸缩材料用于变位体16。变位体16包含压电材料时，例如，可以将流过电极10的电流导入到变位体16。当变位体16包含磁致伸缩材料时，例如，可以将由流过电极10的电流产生的磁场导入到变位体16。
以上，说明了将能量施加到转变体3的方法，但是如从上述说明可以看到的那样，在本发明的热开关元件中，能够同时或设定顺序地将多种不同的能量施加到转变体3上。例如，能够将电极10用于不同种类的能量的施加。此外，需要时也可以在图5～图17所示的各层之间进一步配置别的材料。
本发明的热开关元件1也能够用作使热从电极2a和电极2b选出的一方电极到另一方电极传导的冷却元件。例如，在图1所示的热开关元件1中，通过将一并持有作为绝缘体的功能的材料用于转变体3等，而能够形成在一定方向传导热的元件。作为这种材料，可以举出(Pr，Ca)MnO3和VO2等，此外，Bi2Sr2Ca2Cu3O10等的层状物质等。在层状物质的情形中，例如，可以利用它的层间方向。其中，“从一方电极到另一方电极传导热”和“在一定方向传导热”不一定意味着只是到它的相反方向完全不传导热的情形。例如，也可以是从电极2a到电极2b的热传导和从电极2b到电极2a的热传导是非对称的。但是看起来，生成在一定方向传导热的现象。
此外，如图2所示，在配置了绝缘体4的热开关元件1中，通过控制绝缘体4的材料、厚度等，而能够使在从电极2a到电极2b的方向上和从电极2b到电极2a的方向上的热电子的传导率非对称。因此，能够形成在一定方向传导热的元件，即冷却元件。此外，为了实现一定方向的热传导，需要使转变体3处于ON状态。
下面，我们说明本发明的热开关元件的制造方法。
为了形成构成热开关元件的各层，可以用一般的薄膜形成工艺，例如，脉冲激光蒸涂(PLD)、离子束蒸涂(IBD)、离子聚束和RF、DC、电子回旋加速器谐振(ECR)、氦感应耦合等离子体(ICP)、对置靶等的各种溅射法、分子线外延生长法(MBE)、离子电镀法等。此外，除了这些PVD法外，也可以用CVD法、电镀法或溶胶凝胶法。当需要进行微细加工时，可以将在半导体工艺和磁头制作工艺等中一般使用的手法组合起来。具体地说，例如，可以将用离子铣削、反应性离子蚀刻(RIE)、FIB(Focused Ion Beam(聚焦离子束))等的物理或化学的蚀刻法、用于形成微细图案的分级法、电子束(EB)法等的光刻技术等组合起来。为了使电极等各层的表面平坦化，例如，可以用CMP(Chemo-Mechanical Polishing(化学-机械抛光))和离子聚束蚀刻等。此外，当形成各层时，也可以形成在基体上。对用于基体的材料没有特别的限定，例如，可以用Si和SiO2或GaAs和SrTiO3等的氧化物单晶等。
如图2所示，表示了进一步在转变体3和电极2b之间包含绝缘体4，并且绝缘体4是真空的热开关元件1的制造方法。在这种热开关元件1的制造方法中，对在转变体3和电极2b之间形成作为真空的绝缘体4(以下，也称为真空绝缘单元)的方法没有特别的限定。例如，也可以通过将转变体3和电极2b配置在预定的间隔上在电极2b和转变体3之间形成空间，通过使形成的空间保持真空而在电极2b和转变体3之间形成绝缘体4。图17表示这种制造方法的一个例子。
在图17所示的例子中，通过使电极2b和转变体3面对的方式而将包含电极2a和转变体3的层积体和电极2b配置在预定间隔上，在电极2b和转变体3之间形成空间(步骤(I))。这里，通过使形成的空间保持真空，而能够在电极2a和转变体3之间形成真空绝缘体单元(步骤(II))。
步骤(I)中的预定间隔，例如，可以具有作为形成真空绝缘体单元所需要的厚度，具体地如上所述，例如，可以在50nm以下的范围内，其中最好在15nm以下的范围内。对上述间隔的下限没有特别的限定，但是例如，可以在0.3nm以上。
在步骤(I)中，对将层积体和电极2b配置在预定间隔上，在电极2b和转变体3之间形成空间的方法没有特别的限定。例如，可以一面控制层积体和/或电极2b两者的间隔，一面移动层积体和/或电极2b，对该方法没有特别的限定。更具体地说，例如，可以如图17所示那样，以移动电极2b和/或上述层积体的方式配置压电体17(步骤(I-a))，使配置的压电体17变形(步骤(I-b))。因为伴随着压电体17变形(膨胀和/或收缩)使电极2b和/或层积体移动，所以能够将层积体和电极2b以预定的间隔配置。此外，为了将层积体和电极2b配置在预定间隔上，可以使压电体17膨胀或收缩，也可以将膨胀和收缩组合起来。
在步骤(I-a)中，压电体17的配置方法只要能够移动电极2b和/或上述层积体，就没有特别的限定。例如，如图17所示，可以与电极2b和/或上述层积体相接的方式配置压电体17。在图17中，因为以与电极2b和上述层积体双方相接的方式配置压电体17，所以能够移动电极2b和上述层积体双方。也可以只与某一方相接的方式配置压电体17。可以将一般的压电材料用于压电体17。其中，需要时也可以在压电体17和电极2a和/或电极2b之间配置别的层。
在步骤(II)中，对使在步骤(I)形成的空间保持真空的方法没有特别的限定。例如，也可以在步骤(I)后，维持层积体和电极2b的间隔不变，使上述空间成为真空进行密闭。为了使上述空间成为真空，例如，可以使包含层积体和电极2b的整体处于真空的气氛中。此外，也可以同时进行步骤(I)和步骤(II)。例如，在真空的气氛中进行步骤(I)，可以原封不动地密闭在层积体和电极2b之间形成的空间。其它，当步骤(I)包含多个步骤时，也可以在步骤(I)的中途，使层积体和电极2b的整体处于真空的气氛中。此外，所谓的真空，如上所述，例如，可以是约1Pa以下的状态。
在图17所示的例子中，用包含电极2b、电极2a和转变体3的层积体形成热开关元件，但是也可以与形成真空绝缘单元不同地配置电极2a。具体地说，例如，可以如下进行。最初，通过以使电极2b和转变体3面对的方式将转变体3和电极2b配置在预定间隔上，在电极2b和转变体3之间形成空间(步骤(i))。在图17中，是省去电极2a的状态。其次，通过将上述形成的空间保持在真空中，在电极2b和转变体3之间形成真空绝缘单元(步骤(ii))。接着，能够以将转变体3配置在电极2b和电极2a之间的方式，配置电极2a(步骤(iii))。
在步骤(i)中的空间形成方法和步骤(ii)中的真空绝缘单元的形成方法可以与上述步骤(I)中的方法和步骤(II)中的方法相同。例如，步骤(i)也可以包含(i-a)以移动从电极2b和转变体3选出的至少一个的方式配置压电体17的步骤、和(i-b)通过使配置的压电体17变形，将电极2b和转变体3配置在预定间隔，在电极2b和转变体3之间形成空间的步骤。
对步骤(iii)中配置电极2a的方法没有特别的限定，例如，可以用上述的薄膜形成方法。此外，步骤(iii)不一定需要在步骤(ii)后进行。例如，也可以从步骤(i)在步骤(ii)的任意时刻进行。
图18A～18D表示进一步在转变体3和电极2b之间包含绝缘体4，并且绝缘体4作为真空绝缘单元的热开关单元1的制造方法的另一个例子。
最初，如图18A所示，包含电极2a、转变体3和电极2b，代替真空绝缘单元形成配置中间体18的多层膜(步骤(A))。因为代替真空绝缘单元配置中间体18，所以上述多层膜中的层积顺序为电极2a、转变体3、中间体18和电极2b。这里，可以将比转变体3更容易力学地破坏的材料用于中间体18。所谓容易力学地破坏的材料，例如，可以当施加压缩力和扩张力时比转变体更容易破坏的材料。即，例如，可以用强度比转变体3小的材料。更具体地说，例如，可以用Bi、Pb、Ag等。中间体18的厚度，例如，可以是作为真空绝缘单元需要的厚度，具体地如上所述。
其次，如图18B所示，通过在上述多层膜的层积方向伸展多层膜来破坏中间体18。此后，如图18C所示，通过将气体19吹到残存的中间体18来除去中间体18，在转变体3和电极2b之间形成空间(步骤(B))。
其次，如图18D所示，通过使形成的空间保持真空，而能够得到在电极2b和转变体3之间形成是真空的绝缘体4的热开关元件(步骤(D))。与图17所示的方法比较，现在这个方法，通过控制真空绝缘单元的厚度(电极2b和转变体3的距离)，能够更容易使真空绝缘单元的厚度成为中间体18的厚度。
在步骤(A)中，对形成多层膜的方法没有特别的限定，例如，可以用上述的成膜方法。
在步骤(B)中，对使多层膜沿它的层积方向伸展的方法没有特别的限定。例如，如图18B所示，可以使用压电体17。具体地说，步骤(B)也可以包含(B-a)以与多层膜的至少一方的主面相接的方式配置压电体17的步骤、和(B-b)通过使配置的压电体17变形(膨胀和/或收缩)，使多层膜沿多层膜的层积方向伸展，破坏中间体18的步骤。
在步骤(B-a)中，压电体17的配置方法，只要能够伸展多层膜就没有特别的限定。例如，如图18B所示，可以以与多层膜中包含的电极2b相接的方式配置压电体17。也可以将压电体17配置在电极2a侧，也可以将压电体17配置在电极2a侧和电极2b侧两侧。可以将一般的压电材料用于压电体17。此外，需要时也可以在压电体17和电极2a和/或电极2b之间配置别的层。
在步骤(B-b)中，为了伸展多层膜，可以使压电体17膨胀或收缩，也可以将膨胀和收缩组合起来。例如，如果以使压电体17的收缩量和膨胀量相同的方式，将膨胀和收缩组合起来，则能够形成具有与中间体18的厚度相同的间隔(转变体3和电极2b的间隔)的空间。
在步骤(B)中，对除去破坏后残存的中间体18的方法没有特别的限定。例如，如图18C所示，可以通过吹入气体19来除去。不仅是气体，也可以通过吹入液体来除去。当用气体时，对所用气体的种类没有特别的限定，例如，可以用具有与中间体18反应性的气体。
在步骤(C)，对使在步骤(B)形成的空间保持真空的方法没有特别的限定。例如，也可以在步骤(B)后，维持转变体3和电极2b的间隔不变，使上述空间成为真空进行密闭。为了使上述空间成为真空，例如，可以使包含转变体3、电极2b、电极2a的整体处于真空的气氛中。此外，也可以同时进行步骤(A)和/或步骤(B)、和步骤(C)。例如，也可以在真空的气氛中进行步骤(A)和步骤(B)，原封不动地密闭在转变体3和电极2b之间形成的空间。其它，也可以从步骤(A)到步骤(B)中的任意时刻，使包含转变体3、电极2a和电极2b的整体处于真空的气氛中。其中，所谓真空，如上所述，例如，可以是约1Pa以下的状态。
下面，表示用于绝缘体4的毫微米多孔质体的制造方法的一个例子。表示作为毫微米多孔质体的一个例子的多孔质硅石的制作方法。
得到多孔质硅石的方法大致可以分成制作湿润凝胶的步骤和使湿润凝胶干燥的步骤(干燥步骤)。首先，我们说明制作湿润凝胶的步骤。例如，能够通过使在溶剂中混合硅石的原料进行溶胶凝胶反应来进行合成。这时，需要时也可以用催化剂。在湿润凝胶的形成过程中，在溶剂中，一面使上述原料发生反应，一面形成微粒子，通过使形成的微粒子三维地网格化而形成网眼状的骨格。通过选择原料和溶剂的组成，或者，需要时加上催化剂、粘度调整剂等，而能够控制上述骨格的形状(例如，形成的多孔质硅石中的空孔的平均直径等)。在实际的制作步骤中，也可以将混合在溶剂中的硅石的原料涂敷在基片上，通过在涂敷的状态中经过一定时间使其凝胶化，来制作硅石的湿润凝胶。
对向基片上的涂敷方法没有特别的限定，例如，可以与需要的膜厚、形状等相应地选择旋转涂膜法、浸渍法、网孔印刷等。
对制作湿润凝胶时的温度没有特别的限定，例如，可以在室温左右。需要时，也可以加热到所用溶剂的沸点以下的温度。
关于硅石的原料，例如，可以单独使用四甲氧基硅烷、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们的低聚物化合物，或者，硅酸钠(硅酸苏打)、硅酸钾等的水玻璃化合物，或者，胶质硅石，也可以将它们混合起来使用。
对于溶剂来说，如果能够溶解原料形成硅石等则没有特别的限定，例如，可以单独或混合地使用水、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、甲苯、己烷等一般的无机、有机溶剂。
关于催化剂，例如，可以用水，或盐酸、硫酸、醋酸等的酸，或者氨、吡啶、氢氧化钠、氢氧化钾等的盐基。
粘度调整剂如果是能够调整混合原料的溶剂的粘度就没有特别的限定，例如，可以用乙二醇、丙三醇、聚乙烯醇、硅酮油等。
其中，当想将上述电子发射材料分散在多孔质硅石中时，例如，可以在将电子发射材料与上述原料一起混合，分散在溶剂中后进行凝胶化。
下面，说明使湿润凝胶干燥的干燥步骤。对使湿润凝胶干燥的方法没有特别的限定，例如，可以用自然干燥、加热干燥、减压干燥等的通常干燥法，或者超临界干燥法、冻结干燥法等。这时，从抑制伴随着干燥的凝胶收缩的观点出发，用超临界干燥法是令人满意的。此外，即便在用通常干燥法的情形中，通过对制作的湿润凝胶的固相成分表面进行拨水处理，也可以抑制伴随着干燥的凝胶收缩。
当用超临界干燥法时，关于用于超临界干燥的溶剂，也可以原封不动地用制作湿润凝胶中使用的溶剂。或者，也可以预先将湿润凝胶中包含的溶剂置换成在超临界干燥中更容易处理的溶剂。关于置换的溶剂，可以使用作为超临界流体一般使用的溶剂，例如，甲醇、乙醇、异丙醇等的乙醇类、二氧化碳、水等。此外，也可以预先将湿润凝胶中包含的溶剂置换成在这些超临界流体中容易溶出的丙酮、异戊基醋酸、己烷等。
超临界干燥，例如，可以在高压锅等的压力容器中进行，当作为超临界干燥流体用甲醇时，通过使高压锅内部保持作为甲醇的临界条件的压力8.09MPa、温度239.4℃以上，在温度一定的状态中徐徐的放开压力，可以使湿润凝胶干燥。当用二氧化碳时，同样，通过保持压力7.38MPa、温度31.1℃以上，在温度一定的状态中徐徐地放开压力，可以进行干燥。当用水时，同样，通过保持压力22.04MPa、温度374.2℃以上，在温度一定的状态中徐徐的放开压力，可以进行干燥。干燥需要的时间，例如，可以在通过超临界流体在湿润凝胶中一次以上地加入溶剂的时间以上。
在对湿润凝胶进行拨水处理后进行干燥的方法中，可以在湿润凝胶的固相成分表面上进行化学反应后使用于拨水处理的表面处理剂干燥。因为通过拨水处理能够减少湿润凝胶的空孔内发生的表面张力，所以能够抑制干燥时的凝胶收缩。
关于表面处理剂，例如，可以用三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷等的卤系硅烷处理剂、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷等的烷氧基系硅烷处理剂、六甲基二硅氧烷、二甲基硅氧烷低聚物等的硅酮系硅烷处理剂、六甲基二硅氮烷等的胺系硅烷处理剂、丙基乙醇、丁基乙醇等的乙醇系处理剂等。其它，如果是能够得到与上述表面处理剂同样效果的材料，则能够没有特别限定地加以使用。
此外，即便用硅石以外的无机材料和有机高分子材料等也能够得到同样的毫微米多孔质体。例如，也可以用在形成氧化铝等的陶瓷中一般使用的材料等。此外，通过在用上述方法形成毫微米多孔质体后，用气相合成法等的方法，也能够在多孔质体的内部分散、形成电子发射材料。
(实施例)下面，使用实施例更具体地说明本发明。此外，本发明不限定于下面所示的实施例。
(实施例1)在实施例1中，作为转变体用SrTiO3，制作如图19所示的热开关元件1。电极2a和电极2b用Al，绝缘体9用Al2O3，电极10用Au。实施例1中使用的热开关元件1的制作方法如图20A～20E所示。
最初，在作为转变体3的SrTiO3的晶体上堆积抗蚀剂20(图20A)。关于抗蚀剂使用阳型抗蚀剂材料，用一般的抗蚀剂涂敷方法。其次，用溅射法在整体上堆积Al层21(图20B)。接着，通过剥离，除去抗蚀剂20和位于在Al层21中的抗蚀剂20上的部分，形成电极2a和电极2b(图20C)。接着，用溅射法形成由Al2O3构成的绝缘体9(图20D)。最后，用溅射法形成由Au构成的电极10(图20E)，制成图19所示的热开关元件1。令电极2a和电极2b之间的距离d(与转变体3一边的长度相当)约为5μm，绝缘体9的厚度约为100nm，电极10的厚度约为2μm。此外，从图19所示的箭头E看的转变体3的尺寸为10μm×0.5μm。
对于这样制作的热开关元件1，通过在电极10和转变体3之间施加电压，在转变体3上加上电能，调查加上能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。用赫尔曼(Harman)法测定电极2a和电极2b之间的热传导率。所谓的赫尔曼法是从通过在样品中施加电流生成的样品两端的温度差来评价热传导状态的方法。更具体地说，能够用公式STI/AT求得热传导率。S是热电能(V/K)，T是样品的平均温度(K)，I是电流值(A)，AT(K)是样品的温度差。此外，只要没有特别的记述，热传导率的测定都是在室温中进行的。在以后的实施例中也是同样的。
结果，在电极10和转变体3之间没有施加电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，在电极10和转变体3之间施加电压，在施加约数十V的电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过施加电压能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。
其次，制作图21所示的热开关元件1，同样，调查施加能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。如下制作图21所示的热开关元件1。作为电极2a使用在0.1原子％～10原子％的范围内掺杂Nb的SrTiO3晶体(Nb:SrTiO3)，在它上面用溅射法形成由SrTiO3构成的转变体3。在约450℃～700℃的加热气氛下形成转变体3。与图19所示的热开关元件1同样地形成由Al构成的电极2b、由Al2O3构成的绝缘体9、由Au构成的电极10。令转变体3的厚度(与电极2a和电极2b之间的距离相当)约为1μm，经过绝缘体9的电极10和转变体3之间的距离约为100nm。
对于这样制作的热开关元件1，调查通过在电极10和转变体3之间施加电压，在转变体3上加上电能，在加上能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。
结果，在电极10和转变体3之间没有施加电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加施加在电极10和转变体3之间的电压时，在加上2.5V的电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过施加电压能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。
此外，在实施例1中，作为转变体用SrTiO3，但是其它，在转变体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)、等的情形中也能够得到同样的结果。此外，在用GdBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是从La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb选出的至少一种的元素，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是从Cr、Mn、Fe、Co和Ni选出的至少一种的元素)表示的氧化物的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例2)在实施例2中，作为转变体3使用在0.1原子％～10原子％的范围内掺杂Cr的SrTiO3(Cr:SrTiO3)，制成图22所示的热开关元件1。
最初，使用SrTiO3作为基体22，用溅射法在基体22上形成由SrRuO3构成的电极2a。其次，在电极2a上形成由Cr:SiTiO3构成的转变体3，进一步在它上面形成由Pt构成的电极2b。在形成转变体3和电极2b时也用溅射法。在约450℃～700℃的加热气氛下形成转变体3和电极2a。其中，电极2a、转变体3和电极2b的厚度分别约为200nm，300nm和2μm。
对于这样制作的热开关元件1，调查通过在电极2a和电极2b之间施加电压，在转变体3上施加电能，在施加能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
其结果，在电极2a和电极2b之间没有施加电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加施加在电极2a和电极2b之间的电压时，在加上约0.5V的电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过加上电压能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。此外，在热开关元件1的热传导性中可以看到滞后性，在出现热传导性后即便在电极2a和电极2b之间加上电压为0的情形中，电极2a和电极2b之间的热传导性也保持不变。此后，通过在电极之间加上与最初施加的电压反向的电压，电极2a和电极2b之间的热传导性才消失。从而，我们看到通过选择用于转变体3的材料，可以实现具有非易失性的热开关元件。如果用非易失性的热开关元件，则能够构筑进一步削减消耗电功率的热开关元件。
其中，在实施例2中，作为转变体用Cr:SrTiO3，但是其它，在转变体3中用SrZrO3、(La，Sr)TiO3、Y(Ti、V)O3、SrTiO3-d(0＜d≤0.1)、(Pr1-xCax)MnO3(0＜x≤0.5)等的情形中也能够得到同样的结果。此外，在用NdBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是从La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb选出的至少一种的元素，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是从Cr、Mn、Fe、Co和Ni选出的至少一种的元素)表示的氧化物的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例3)在实施例3中，作为转变体3使用SrTiO3和LaSrMnO3的层积体，制成图23所示的热开关元件1。
使用Nb:SrTiO3作为基体22，使用激光熔蚀法堆积下面所示的薄膜。堆积是在450℃～700℃的加热中，在10mmTorr～500mmTorr的氧气氛下进行的。最初，在基体22上配置SrTiO3(厚度50nm)，进0 一步在它上面配置LaSrMnO3(厚度100nm)作为转变体3。其次，在转变体3上配置SrRuO3(厚度10nm)。接着，用溅射法在SrRuO3上配置Pt(厚度240nm)。溅射时的温度为400℃。接着，如图23所示的那样对SrRuO3和Pt的层积体进行微细加工，形成电极2a和电极2b。此后，作为绝缘体9以从电极2a和电极2b的表面算起的厚度为80nm的方式配置Al2O3，最后，作为电极10配置Au(厚度900nm)。此外，为了提高施加在转变体3上的磁场的效率，将电极10分割成多个电极(共计15根，在图23中只记述了其中的一部分)进行配置。
对于这样制作的热开关元件1，调查通过在电极10中流过电流11在转变体3上施加磁场，在施加磁能前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。此外，在多个电极10中都在同方向流过电流。
其结果，在电极10中没有流过电流的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当使电极10中流过的电流增加时，在每一根电极10中流过约为2.5mA电流的阶段出现热传导性，确认了作为通过施加磁场能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。
此外，在实施例3中，作为转变体使用(La，Sr)MnO3，但是其它，在转变体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)等的情形中也能够得到同样的结果。但是，X4是从Sr、Ca和Ba选出的至少一种的元素。此外，在SmBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是从La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb选出的至少一种的元素，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是从Cr、Mn、Fe、Co和Ni中选出的至少一种的元素)表示的氧化物的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例4)在实施例4中，制成包含图14B所示的构成的热开关元件。
用MgO作为基体，用激光熔蚀法在基体上层积下面所示的薄膜。层积是在450℃～700℃的加热中，在10mmTorr～500mmTorr的氧气氛下进行的。最初，在基体上层积ITO(Sn-doped(掺杂Sn的)In2O3厚度50nm)，进一步在它上面层积(Pr，Ca)MnO3(厚度100nm)，作为转变体3。其次，用溅射法在SrRuO3上层积Pt(厚度240nm)。溅射时的温度为400℃。接着，对SrRuO3和Pt的层积体进行微细加工，形成电极2a和电极2b，制成热开关元件。
对于这样制作的热开关元件，通过从基体侧射入脉冲激光(波长532nm)将光能施加在转变体3上，调查在施加光能前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
其结果，在转变体3上没有射入光的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当将光射入到转变体3上时，在照射约0.5W的100毫微微秒的极短脉冲的阶段出现热传导性，确认了作为通过光入射能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。此外，即便在使脉冲激光的波长从近红外区域到可见光区域变化的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例5)在实施例5中，制成包含图15所示的构成的热开关元件。
使用LiTaO3作为基体，使用磁孔管溅射法在基体上层积下面所示的薄膜。成膜是在450℃～700℃的加热中，在10mmTorr～500mmTorr的氧-氩混合气氛下(分压比为Ar∶O2＝1∶1)进行的。最初，在基体上形成V2O3(厚度50nm)的薄膜作为转变体3。其次，在400℃下，在转变体3上形成Pt(厚度50nm)的薄膜，通过微细加工，形成电极2a和电极2b。接着，用电子束蒸涂法形成Ni-Cr合金(厚度100nm)的薄膜作为电阻体15，进一步形成Au(厚度300nm)的薄膜，形成电极10。
对于这样制作的热开关元件，通过在电极10中流过电流使电阻体15发热，将产生的热施加到转变体3上。调查在施加热能前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
结果，在电极10中没有流过电流的状态，即电阻体15不发热的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加流过电极10的电流时，在流过约4mA电流的阶段出现热传导性，确认了作为通过施加热能而能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。
此外，在实施例5中，作为转变体用V2O3，但是其它，在转变体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)等的情形中也能够得到同样的结果。但是，X4是从Sr、Ca和Ba选出的至少一种的元素。此外，在由式X1BaX22O6(X1是从La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中选出的至少一种的元素，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是从Cr、Mn、Fe、Co和Ni选出的至少一种的元素)表示的氧化物的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例6)在实施例6中，制成如图24所示的热开关元件1。
使用作为一种压电材料的LiTaO3(厚度0.8μm)作为变位体16，用溅射法在变位体16上配置下面所示的薄膜。各层的配置是在200℃～500℃的加热中，在0.1mmTorr～100mmTorr的氩-氮混合气氛下(分压比为Ar∶N2＝3∶2)进行的。最初，在变位体16上配置LaVO3(厚度100nm)作为转变体3。其次，在转变体3上配置Al(厚度1000nm)作为电极2a和电极2b。进一步，在与变位体16中的转变体3相接的面的相反侧的面上，配置Al(厚度1000nm)作为电极10。用光刻法使电极10成为如图24所示的梳形。梳形电极10之间的间隔为2μm。
对于这样制作的热开关元件1，通过用电极10在变位体16上加上电压，使变位体16中发生畸变，根据发生的畸变将压力施加到转变体3上。调查在这样地加上力学能前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
结果，在变位体16上没有加上电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加加在变位体16上的电压时，在加上约0.5V电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过施加作为一种力学能的压力而能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。
此外，在实施例6中，作为转变体使用LaVO3，但是其它，在转变体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)等的情形中也能够得到同样的结果。但是，X4是从Sr、Ca和Ba中选出的至少一种的元素。此外，在SmBaMn2O6等的由式X1BaX22O6(X1是从La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中选出的至少一种的元素，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是从Cr、Mn、Fe、Co和Ni选出的至少一种的元素)表示的氧化物的情形中也能够得到同样的结果。此外，在实施例6中，作为变位体16用LiTaO3，但是其它，在用LiNbO3和(Ba，Sr)TiO3、Pb(Zr，Ti)O3等的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例7)在实施例7中，制成包含图2所示的绝缘体4的热开关元件1。
最初，在由SrTiO3构成的基体上，配置SrRuO3(厚度200nm)形成电极2a。其次，通过在电极2a上配置用在0.1原子％～10原子％的范围内掺杂Cr的SrTiO3(Cr:SrTiO3，厚度300nm)形成转变体3。用激光熔蚀法(基片温度在450℃～700℃的范围内)形成电极2a和转变体3。
其次，在转变体3上用上述溶胶凝胶法配置多孔质硅石层(厚度约0.1μm)作为绝缘体4。下面表示多孔质硅石层的具体制作方法。
首先，作为包含硅石原料的溶液，调制以克分子比1∶3∶4的比例混合四甲氧基硅烷、乙醇和氨水溶液(规定0.1)的溶液。使作为电子发射材料平均粒径约10nm的金刚石粒子分散在溶液中。在对上述溶液进行搅拌处理后，形成适合于涂敷的粘度，旋转涂敷在转变体3上厚度约为0.1μm。此后，通过干燥对上述涂敷的硅石溶胶进行整合凝胶化。通过高分辨率扫描型电子显微镜对形成的硅石凝胶进行评价，能够确认形成了由图3所示的Si-O-Si结合的三维网格构成的湿润凝胶构造。此外，也能够确认均匀地分散着作为电子发射材料的金刚石粒子。
其次，在用乙醇洗净上述那样制作的湿润凝胶，并进行溶剂置换后，通过进行使用二氧化碳的超临界干燥，制成多孔质硅石层。在压力12MPa、温度50℃的条件下经过4小时的超临界干燥后，徐徐地放开压力成为大气压，然后降低温度到室温。接着，通过在氮气氛下，在400℃中对经过干燥的试料进行退火处理，来除去到多孔质硅石层的吸附物质。
此外，用Brunauer-Emmett-Teller(布龙瑙尔-埃梅特-特勒)法(BET法)对制成的多孔质硅石层的空孔率进行评价，约为92％。此外，同样，用同样的方法估计多孔质硅石层的平均空孔径，约为20nm。
通过在氢气氛下，在400℃中对这样制作的电极2a、转变体3和绝缘体4进行退火处理。通过这种退火处理，使多孔质硅石层中包含的金刚石粒子的表面氢化，能够使作为电子发射材料的金刚石粒子更加活性化。
最后，用溅射法，在绝缘体4上配置Pt(厚度200nm)，形成电极2b。
对于这样制作的热开关元件1，调查通过在电极2a和电极2b之间施加电压，在转变体3上施加电能，在加上能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
结果，在电极2a和电极2b之间没有加上电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加施加在电极2a和电极2b之间的电压时，在施加上约5V的电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过加上电压能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。
此外，测定热传导性出现时的两电极间的发射电流密度，得到数10mA/cm2的值。进一步，维持热开关元件1的热传导性不变，使电极2a与保持在30℃的Au接触，测定电极2a的温度变化，观察到电极2a的温度降低约30度，即成为约0℃的现象，确认了作为经过绝缘体4的热开关元件和冷却元件的功能。
进一步在实施例7中，制成包含图4所示的绝缘体4和电极8的热开关元件1，进行同样的评价。
最初，在由SrTiO3构成的基体上，配置SrRuO3(厚度200nm)形成电极2a。其次，通过在电极2a上配置用在0.1原子％～10原子％的范围内掺杂Cr的SrTiO3(Cr:SrTiO3，厚度300nm)形成转变体3。接着，在转变体3上配置(Sr，Ca，Ba)CO3(厚度50nm)形成电极8，进一步在它上面与上述同样地配置多孔质硅石层(厚度0.1μm)形成绝缘体4。用激光熔蚀法(基片温度在450℃～700℃的范围内)形成电极2a、转变体3和电极8。最后，用溅射法在绝缘体4上配置Pt(厚度2000nm)作为电极2b，制成如图4所示的热开关元件1。
对于这样制作的热开关元件1，调查通过在电极2a和电极2b之间施加电压，在转变体3上施加电能，在施加上能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
结果，在电极2a和电极2b之间没有施加电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加施加在电极2a和电极2b之间的电压时，在施加上约1.8V的电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过加上电压能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。当从在没有配置电极8的情形中需要加上约5V的电压进行考虑时，我们看到通过配置电极8，将效率提高到两倍以上。
此外，维持热开关元件1的热传导性不变，使电极2a与保持在30℃的Au接触，测定电极2a的温度变化，观察到电极2a的温度降低的现象，确认了作为经过绝缘体4的热开关元件和冷却元件的功能。
此外，在实施例7中形成厚度约0.1μm的多孔质硅石层作为绝缘体4，但是即便在绝缘体4的厚度在约0.05μm～10μm的范围内也能够得到同样的结果。但是，因为考虑到作为绝缘体4的最适合的厚度根据元件的构造、所用的材料等而变化，所以绝缘体4的厚度不限定于上述范围。
此外，在实施例7中作为电极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等的情形中也能够得到同样的结果。
(实施例8)在实施例8中，作为转变体3使用Ca3Co4O9，制成如图22所示的热开关元件1。
最初，用(Al2O3)作为基体22，用溅射法在基体22上形成由NaCo2O6构成的电极2a。其次，在电极2a上形成Ca3Co4O9构成的转变体3，进一步在其上形成由NaCo2O6构成的电极2b。也用溅射法形成转变体3和电极2b。在约450℃～850℃的加热气氛下形成转变体3和电极2a。此外，电极2a、转变体3和电极2b的厚度分别约为200nm，300nm和2μm。
对于这样制作的热开关元件1，调查通过在电极2a和电极2b之间施加电压，而在转变体3上施加电能，在施加上能量前后的电极2a和电极2b之间的热传导率的变化。与实施例1同样地进行热传导率的测定。
结果，在电极2a和电极2b之间没有施加电压的状态中，电极2a和电极2b之间的热传导率非常小，达到不能够测定的程度。此后，当增加施加在电极2a和电极2b之间的电压时，在加上约0.5V的电压的阶段出现热传导性，确认了作为通过施加电压而能够控制热的传输的热开关元件实施着功能。此外，在热开关元件1的热传导性中可以看到滞后性，在出现热传导性后即便在电极2a和电极2b之间所施加电压为0时，电极2a和电极2b之间的热传导性也保持不变。此后，通过在电极之间施加与最初施加的电压反向的电压，电极2a和电极2b之间的热传导性才消失。从而，我们看到通过选择用于转变体3的材料，可以实现具有非易失性的热开关元件。如果用非易失性的热开关元件，则能够构筑进一步削减消耗电功率的热开关元件。
此外，在实施例8中，作为转变体3使用Ca3Co4O9，但是在用由CuX5O2(X5是从Al、In、Ga和Fe中选出的至少一种的元素)表示的铜铁矿等的情形中也能够得到同样的结果。
只要不脱离本发明的意图和本质的特征，就可以将本发明应用于其它的实施方式。在本说明书中揭示的实施方式在所有方面都进行了说明，但是不限定于此。本发明的范围由不在上述说明中的附加的权利要求书表示，与权利要求书均等的意义和范围内的所有变更都包含在权利要求书中。
如以上说明的那样，如果根据本发明，则能够提供具有与已有完全不同的构成，通过施加能量而能够控制热的传输的热开关元件及其制造方法。
如果是用于信息终端等的CPU等的半导体芯片的散热单元、和作为热机关代表性制品的电冰箱、冷冻库、空调等的热传输单元、热配线中的热流控制单元等，进行热传输的部分，则能够用本发明的热开关元件，而没有特别的限定。这时，不仅能够用于需要控制热传输的部分，也能够用于不需要控制的单纯地传输热的部分。
权利要求
1.一种热开关元件，其特征在于所述热开关元件包含第一电极、第二电极以及配置在所述第一电极和所述第二电极之间的转变体；所述转变体包含通过施加能量来进行电子相转变的材料；通过将所述能量施加到所述转变体上，而使所述第一电极和所述第二电极之间的热传导率发生变化。
2.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于通过施加所述能量，形成使热比施加所述能量前更容易在所述第一电极和所述第二电极之间移动的状态。
3.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于通过施加所述能量，使所述转变体的电子热传导率发生变化。
4.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于通过施加所述能量，使所述转变体发生绝缘体一金属转变。
5.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于通过施加所述能量，形成使热电子比施加所述能量前更容易在所述转变体内移动的状态。
6.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于所述施加的能量是从电能、光能、力学能、磁能和热能中选出的至少一种能量。
7.根据权利要求6所述的热开关元件，其特征在于所述能量的施加是通过将电子或者空穴注入到所述转变体，或者在所述转变体中感应出电子或者空穴来进行的。
8.根据权利要求6所述的热开关元件，其特征在于所述能量的施加是通过在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压来进行的。
9.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于所述电子相转变的材料包含具有由式AxDyOz所表示的组成的氧化物；其中，在所述式中，A是从碱金属、碱土类金属、Sc、Y和稀土类元素中选出的至少一种的元素，D是从IIIa族、IVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族和Ib族中选出的至少一种的迁移元素，O是氧，x、y、z是正数。
10.根据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝n+2y＝n+1z＝3n+4其中，n为0、1、2、或3。
11.据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝n+1y＝n+1z＝3n+5其中，n为1、2、3或4。
12.据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝ny＝nz＝3n其中，n为1、2或3。
13.据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝n+1y＝nz＝4n+1其中，n为1或2。
14.据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝0或1y＝0或1z＝1其中，从x和y中选出的某一方为0。
15.据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝0、1或2y＝0、1或2其中，从x和y中选出的某一方为0；z是，当x为0时，在y的值上加1的值，当y为0时，在x的值上加1的值。
16.据权利要求9所述的热开关元件，其特征在于在所述式AxDyOz中的x、y、z是满足下列关系的数值x＝0或2y＝0或2z＝5其中，从x和y选出的某一方为0。
17.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于所述电子相转变的材料包含从莫特型绝缘体和磁性半导体中选出的至少一种。
18.根据权利要求1所述的磁性开关元件，其特征在于还包含第一绝缘体；将所述第一绝缘体配置在所述转变体和所述第二电极之间。
19.根据权利要求18所述的磁性开关元件，其特征在于还包含第三电极；将所述第三电极配置在所述转变体和所述第一绝缘体之间。
20.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于还包含将所述能量施加到所述转变体的第四电极。
21.根据权利要求20所述的热开关元件，其特征在于还包含第二绝缘体；将所述第二绝缘体配置在所述转变体和所述第四电极之间。
22.根据权利要求20所述的热开关元件，其特征在于所述能量的施加是通过在所述第四电极和所述转变体之间施加电压来进行的。
23.根据权利要求20所述的热开关元件，其特征在于所述能量的施加是通过在所述第四电极中流过电流来进行的。
24.根据权利要求23所述的热开关元件，其特征在于所述能量的施加是通过将在所述第四电极中流过电流而产生的磁场导入转变体来进行的。
25.根据权利要求18所述的热开关元件，其特征在于所述第一绝缘体是真空。
26.根据权利要求18所述的热开关元件，其特征在于所述第一绝缘体是隧道绝缘体。
27.根据权利要求18所述的热开关元件，其特征在于所述第一绝缘体由具有多孔质构造的绝缘材料所构成。
28.根据权利要求27所述的热开关元件，其特征在于所述绝缘材料包含电子发射材料。
29.根据权利要求1所述的热开关元件，其特征在于作为从所述第一电极和所述第二电极中选出的一方电极到另一方的电极传导热的冷却元件而起作用。
30.一种热开关元件的制造方法，其中，所述热开关元件包含第一电极、第二电极、配置在所述第一电极和所述第二电极之间的转变体、以及配置在所述转变体和所述第二电极之间的绝缘体；所述转变体包含通过施加能量来进行电子相转变的材料；所述绝缘体是真空；通过将所述能量施加到所述转变体上，使所述第一电极和所述第二电极之间的热传导率发生变化，所述热开关元件的制造方法的特征在于包含，(I)通过以面对所述第二电极和所述转变体的方式将包含转变体和第一电极的层积体和第二电极配置在预定的间隔上，而在所述第二电极和所述转变体的之间形成空间的步骤；和(II)通过使所述空间保持真空，而在所述第二电极和所述转变体的之间形成绝缘体的步骤。
31.根据权利要求30所述的热开关元件的制造方法，其特征在于所述步骤(I)包含，(I-a)以移动从所述第二电极和所述层积体中选出的至少一个的方式来配置压电体的步骤；和(I-b)通过使所述配置的压电体变形，将所述第二电极和所述转变体配置在预定的距离上，在所述第二电极和所述转变体的之间形成空间的步骤。
32.一种热开关元件的制造方法，其中，所述热开关元件包含第一电极、第二电极、配置在所述第一电极和所述第二电极之间的转变体、以及配置在所述转变体和所述第二电极之间的绝缘体；所述转变体包含通过施加能量来进行电子相转变的材料；所述绝缘体是真空；通过将所述能量施加到所述转变体上，来使所述第一电极和所述第二电极之间的热传导率发生变化，所述热开关元件的制造方法的特征在于包含，(i)通过将转变体和第二电极配置在预定的间隔上，来在所述第二电极和所述转变体之间形成空间的步骤；(ii)通过使所述空间保持真空，来在所述第二电极和所述转变体之间形成绝缘体的步骤；和(iii)以将所述转变体配置在所述第二电极和第一电极之间的方式，来配置所述第一电极的步骤。
33.根据权利要求32所述的热开关元件的制造方法，其特征在于所述步骤(i)包含，(i-a)以移动从所述第二电极和所述转变体中选出的至少一个的方式来配置压电体的步骤；和(i-b)通过使所述配置的压电体变形，来将所述第二电极和所述转变体配置在预定间隔上，在所述第二电极和在所述转变体之间形成空间的步骤。
34.一种热开关元件的制造方法，其中，所述热开关元件包含第一电极、第二电极、配置在所述第一电极和所述第二电极之间的转变体、以及配置在所述转变体和所述第二电极之间的绝缘体；所述转变体包含通过施加能量进行电子相转变的材料；所述绝缘体是真空；通过将所述能量施加到所述转变体上，来使所述第一电极和所述第二电极之间的热传导率发生变化，所述热开关元件的制造方法的特征在于包含，(A)以第一电极、转变体、包含比所述转变体更容易力学地破坏的材料的中间体和第二电极的顺序，来形成包含它们的层积体的步骤；(B)通过在所述层积体的层积方向伸长所述层积体，来破坏所述中间体，通过除去所述破坏了的中间体，而在所述转变体和所述第二电极之间形成空间的步骤；和(C)通过使所述空间保持真空，在所述第二电极和所述转变体之间形成绝缘体的步骤。
35.根据权利要求34所述的热开关元件的制造方法，其特征在于所述步骤(B)包含，(B-a)以与所述层积体的至少一方的主面相接的方式来配置压电体的步骤；和(B-b)通过使所述配置的压电体变形，而在所述层积体的层积方向伸长所述层积体，从而破坏所述中间体的步骤。
36.根据权利要求34所述的热开关元件的制造方法，其特征在于通过将气体吹到所述被破坏的中间体来除去所述步骤(B)中的所述中间体。
全文摘要
本发明提供一种热开关元件及其制造方法，该热开关元件具有与已有完全不同的构成，通过施加能量而能够控制热的传输。热开关元件包含第一电极(2a)、第二电极(2b)以及配置在第一电极(2a)和第二电极(2b)之间的转变体(3)，转变体(3)包含通过施加能量进行电子相转变的材料，成为通过将能量施加到转变体(3)上，使第一电极(2a)和第二电极(2b)之间的热传导率发生变化的元件。
文档编号F25B21/00GK1745485SQ20048000335
公开日2006年3月8日 申请日期2004年1月29日 优先权日2003年1月30日
发明者小田川明弘, 杉田康成, 足立秀明, 出口正洋 申请人:松下电器产业株式会社