(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体とを含み、
前記転移体は、エネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、
前記転移体への前記エネルギーの印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子。
【請求項２】
前記エネルギーの印加によって、前記印加の前よりも前記第１の電極と前記第２の電極との間を熱が移動しやすい状態になる請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項３】
前記エネルギーの印加によって、前記転移体の電子熱伝導度が変化する請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項４】
前記エネルギーの印加によって、前記転移体が絶縁体−金属転移する請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項５】
前記エネルギーの印加によって、前記印加の前よりも前記転移体を熱電子が移動しやすい状態になる請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項６】
前記印加するエネルギーが、電気エネルギー、光エネルギー、力学エネルギー、磁気エネルギーおよび熱エネルギーから選ばれる少なくとも１種である請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項７】
前記印加するエネルギーが電気エネルギーであって、
前記エネルギーの印加が、前記転移体への電子またはホールの注入、あるいは、前記転移体への電子またはホールの誘起によって行われる請求項６に記載の熱スイッチ素子。
【請求項８】
前記印加するエネルギーが電気エネルギーであって、
前記エネルギーの印加が、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することによって行われる請求項６に記載の熱スイッチ素子。
【請求項９】
前記電子相転移する材料が、式ＡxＤyＯzで示される組成を有する酸化物を含む請求項１に記載の熱スイッチ素子。
ただし、上記式において、Ａは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｓｃ、Ｙおよび希土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｄは、IIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIIａ族、VIII族およびＩｂ族から選ばれる少なくとも１種の遷移元素であり、Ｏは酸素であり、ｘ、ｙおよびｚは正の数である。
【請求項１０】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝ｎ＋２
ｙ＝ｎ＋１
ｚ＝３ｎ＋４
ただし、ｎは、０、１、２または３である。
【請求項１１】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝ｎ＋１
ｙ＝ｎ＋１
ｚ＝３ｎ＋５
ただし、ｎは、１、２、３または４である。
【請求項１２】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝ｎ
ｙ＝ｎ
ｚ＝３ｎ
ただし、ｎは、１、２または３である。
【請求項１３】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝ｎ＋１
ｙ＝ｎ
ｚ＝４ｎ＋１
ただし、ｎは、１または２である。
【請求項１４】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝０または１
ｙ＝０または１
ｚ＝１
ただし、ｘおよびｙから選ばれるいずれか一方が０である。
【請求項１５】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝０、１または２
ｙ＝０、１または２
ただし、ｘおよびｙから選ばれるいずれか一方が０であり、
ｚは、
ｘが０のとき、ｙの値に１を加えた値であり、
ｙが０のとき、ｘの値に１を加えた値である。
【請求項１６】
前記式ＡxＤyＯzにおけるｘ、ｙおよびｚが、以下の関係を満たす数値である請求項９に記載の熱スイッチ素子。
ｘ＝０または２
ｙ＝０または２
ｚ＝５
ただし、ｘおよびｙから選ばれるいずれか一方が０である。
【請求項１７】
前記電子相転移する材料が、モット絶縁体および磁性半導体から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項１８】
第１の絶縁体をさらに含み、
前記転移体と前記第２の電極との間に前記第１の絶縁体が配置されている請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項１９】
第３の電極をさらに含み、
前記転移体と前記第１の絶縁体との間に前記第３の電極が配置されている請求項１８に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２０】
前記転移体への前記エネルギーの印加を行う第４の電極をさらに含む請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２１】
第２の絶縁体をさらに含み、
前記転移体と前記第４の電極との間に前記第２の絶縁体が配置されている請求項２０に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２２】
前記エネルギーの印加が、前記第４の電極と前記転移体との間に電圧を印加することによって行われる請求項２０に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２３】
前記エネルギーの印加が、前記第４の電極に電流を流すことによって行われる請求項２０に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２４】
前記エネルギーの印加が、前記第４の電極に電流を流して発生させた磁界を転移体に導入することによって行われる請求項２３に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２５】
前記第１の絶縁体が真空である請求項１８に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２６】
前記第１の絶縁体がトンネル絶縁体である請求項１８に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２７】
前記第１の絶縁体が多孔質構造を有する絶縁材料からなる請求項１８に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２８】
前記絶縁材料が電子放出材を含む請求項２７に記載の熱スイッチ素子。
【請求項２９】
前記第１の電極および前記第２の電極から選ばれる一方の電極から他方の電極へと熱を伝導する冷却素子として機能する請求項１に記載の熱スイッチ素子。
【請求項３０】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体と、前記転移体と前記第２の電極との間に配置された絶縁体とを含み、
前記転移体は、エネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、
前記絶縁体が真空であり、
前記転移体への前記エネルギーの印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子の製造方法であって、
（Ｉ）転移体および第１の電極を含む積層体と、第２の電極とを、前記第２の電極と前記転移体とが面するように所定の間隔で配置することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に空間を形成する工程と、
（II）前記空間を真空に保持することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に絶縁体を形成する工程とを含む熱スイッチ素子の製造方法。
【請求項３１】
前記工程（Ｉ）が、
（Ｉ−ａ）前記第２の電極および前記積層体から選ばれる少なくとも１つを移動するように圧電体を配置する工程と、
（Ｉ−ｂ）前記配置した圧電体を変形させることによって、前記第２の電極と前記転移体とを所定の距離で配置し、前記第２の電極と前記転移体との間に空間を形成する工程とを含む請求項３０に記載の熱スイッチ素子の製造方法。
【請求項３２】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体と、前記転移体と前記第２の電極との間に配置された絶縁体とを含み、
前記転移体は、エネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、
前記絶縁体が真空であり、
前記転移体への前記エネルギーの印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子の製造方法であって、
（ｉ）転移体と第２の電極とを所定の間隔で配置することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に空間を形成する工程と、
（ii）前記空間を真空に保持することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に絶縁体を形成する工程と、
（iii）前記転移体が前記第２の電極と第１の電極との間に配置されるように、前記第１の電極を配置する工程とを含む熱スイッチ素子の製造方法。
【請求項３３】
前記工程（ｉ）が、
（ｉ−ａ）前記第２の電極および前記転移体から選ばれる少なくとも１つを移動するように圧電体を配置する工程と、
（ｉ−ｂ）前記配置した圧電体を変形させることによって、前記第２の電極と前記転移体とを所定の間隔で配置し、前記第２の電極と前記転移体との間に空間を形成する工程とを含む請求項３２に記載の熱スイッチ素子の製造方法。
【請求項３４】
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体と、前記転移体と前記第２の電極との間に配置された絶縁体とを含み、
前記転移体は、エネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、
前記絶縁体が真空であり、
前記転移体への前記エネルギーの印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子の製造方法であって、
（Ａ）第１の電極と、転移体と、前記転移体よりも力学的に破壊しやすい材料を含む中間体と、第２の電極とをこの順序で含む積層体を形成する工程と、
（Ｂ）前記積層体の積層方向に前記積層体を伸長することによって、前記中間体を破壊し、前記破壊した中間体を除去することによって、前記転移体と前記第２の電極との間に空間を形成する工程と、
（Ｃ）前記空間を真空に保持することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に絶縁体を形成する工程とを含む熱スイッチ素子の製造方法。
【請求項３５】
前記工程（Ｂ）が、
（Ｂ−ａ）前記積層体の少なくとも一方の主面に接するように圧電体を配置する工程と、
（Ｂ−ｂ）前記配置した圧電体を変形させることによって、前記積層体の積層方向に前記積層体を伸長させ、前記中間体を破壊する工程とを含む請求項３４に記載の熱スイッチ素子の製造方法。
【請求項３６】
前記工程（Ｂ）における前記中間体の除去が、前記破壊した中間体に気体を吹き付けることによって行われる請求項３４に記載の熱スイッチ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱の輸送を制御できる熱スイッチ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱の輸送を制御できる熱スイッチ素子が存在すれば、様々な分野に上記素子を応用することが可能である。例えば、特定の方向へ熱を輸送する技術である冷却技術の分野に熱スイッチ素子を応用することも可能であり、この場合、上記素子は冷却素子と呼ぶこともできる。
【０００３】
従来の冷却技術は、冷媒の圧縮・膨張サイクルを利用した技術と、熱電現象を利用した技術とに大別される。冷媒の圧縮・膨張サイクルを利用する場合、冷媒の圧縮には主にコンプレッサーが用いられている。この技術は、長年に渡るコンプレッサーの技術改良などによって効率に優れているため、冷凍機、冷蔵庫、エアコンディショナーなどの民生機器に対しても広く応用されている。しかしながら、冷媒の多くにフロンが用いられており、その対環境特性に問題が指摘されている。現在、冷媒としてフロン以外の代替品が検討されているが、圧縮・膨張サイクルによってフロンと同等もしくはそれ以上の熱輸送特性を示す冷媒材料は未だ開発されていない。
【０００４】
一方、熱電現象を利用した素子（熱電素子）は、冷媒を用いることなく冷却を実現する素子であり、対環境特性に優れるばかりではなく、メカニカルな構造を必要としないためメンテナンスフリー化を図ることができるなど優れた特性を有している。このような熱電素子としてペルチェ素子が代表的である。しかしながら、現在の技術では効率が低く、一部の例外を除き、冷蔵庫やエアコンディショナーなどには応用されていない。例えば、冷媒を用いた場合、冷蔵庫などの使用温度（例えば、−２５℃〜２５℃の範囲）におけるカルノー効率は約３０％〜５０％程度の範囲であるとされるが、ペルチェ素子の効率は１０％にも満たない。また、ペルチェ素子以外の有望な熱電素子は未だ開発されていない。
【０００５】
このため、フロンなどの冷媒を用いることなく熱の輸送が可能であり、かつ、従来の熱電素子とは異なる熱スイッチ素子が求められている。
【０００６】
また、熱スイッチ素子を熱伝導体、断熱体、発熱体などと組み合わせることにより、電気回路素子と類似した構造、機能などを有する熱固体回路素子を実現することもできる。熱の輸送を制御するためには、熱を輸送する電子の能動的な制御が必要となる。しかしながら、従来の熱電素子では、能動的な電子の制御は困難である。例えば、熱電現象は、材料中をドリフト伝導する電子による熱移動に伴う現象であると考えられている。熱電素子の特性（熱電特性）は、一般に、熱電指数ＺＴによって表され、ＺＴが大きいほど素子の効率が高くなる。熱電指数ＺＴは、式Ｓ2Ｔ／κρ（Ｓ：熱電能、Ｔ：絶対温度、κ：熱伝導度、ρ：電気比抵抗）によって示される値であり、素子における電子の輸送特性が熱電特性に対して大きく寄与していることを示している。このことから、素子中の電子密度などが素子の熱電特性に影響を与えていると考えられるが、ペルチェ素子など従来の熱電素子において電子の輸送特性を能動的に制御することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような状況を鑑み、本発明は、従来とは全く異なる構成を有することにより、熱の輸送を制御できる熱スイッチ素子と、その製造方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の熱スイッチ素子は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体とを含み、前記転移体は、エネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、前記転移体への前記エネルギーの印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する素子である。
【０００９】
次に、本発明の熱スイッチ素子の製造方法は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体と、前記転移体と前記第２の電極との間に配置された絶縁体とを含み、前記転移体はエネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、前記絶縁体が真空であり、前記転移体への前記エネルギーの印加によって前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子の製造方法であって、
（Ｉ）転移体および第１の電極を含む積層体と、第２の電極とを、前記第２の電極と前記転移体とが面するように所定の間隔で配置することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に空間を形成する工程と、
（II）前記空間を真空に保持することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に絶縁体を形成する工程とを含んでいる。
【００１０】
本発明の熱スイッチ素子の製造方法は、上述した本発明の熱スイッチ素子のなかでも、絶縁体をさらに含み、前記転移体と前記第２の電極との間に前記絶縁体が配置されており、前記絶縁体が真空である熱スイッチ素子の製造方法であるともいえる。
【００１１】
また、本発明の熱スイッチ素子の製造方法は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体と、前記転移体と前記第２の電極との間に配置された絶縁体とを含み、前記転移体はエネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、前記絶縁体が真空であり、前記転移体への前記エネルギーの印加によって前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子の製造方法であって、
（ｉ）転移体と第２の電極とを、前記第２の電極と前記転移体とが面するように所定の間隔で配置することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に空間を形成する工程と、
（ii）前記空間を真空に保持することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に絶縁体を形成する工程と、
（iii）前記転移体が前記第２の電極と第１の電極との間に配置されるように、前記第１の電極を配置する工程とを含んでいてもよい。
【００１２】
また、本発明の熱スイッチ素子の製造方法は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された転移体と、前記転移体と前記第２の電極との間に配置された絶縁体とを含み、前記転移体はエネルギーを印加することによって電子相転移する材料を含み、前記絶縁体が真空であり、前記転移体への前記エネルギーの印加によって前記第１の電極と前記第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子の製造方法であって、
（Ａ）第１の電極と、転移体と、前記転移体よりも力学的に破壊しやすい材料を含む中間体と、第２の電極とをこの順序で含む積層体を形成する工程と、
（Ｂ）前記積層体の積層方向に前記積層体を伸長することによって前記中間体を破壊し、前記破壊した中間体を除去することによって前記転移体と前記第２の電極との間に空間を形成する工程と、
（Ｃ）前記空間を真空に保持することによって、前記第２の電極と前記転移体との間に絶縁体を形成する工程とを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来とは全く異なる構成を有し、エネルギーを印加することによって熱の輸送を制御できる熱スイッチ素子と、その製造方法とを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の部分に同一の符号を付して、重複する説明を省略する場合がある。
【００１５】
図１Ａおよび図１Ｂに、本発明の熱スイッチ素子の一例を示す。図１Ａおよび図１Ｂに示す熱スイッチ素子１は、電極２ａと、電極２ｂと、電極２ａと電極２ｂとの間に配置された転移体３とを含んでいる。転移体３は、エネルギーを印加することによって電子相転移する材料（以下、単に「相転移材料」ともいう）を含んでおり、転移体３へのエネルギーの印加によって電極２ａおよび電極２ｂの間の熱伝導度が変化する。転移体３は、熱を伝導する媒体であるとともに、熱の輸送を制御する制御体としての役割を担っている。このような構成によって、エネルギーの印加によって熱の輸送を制御できる熱スイッチ素子１とすることができる。また、本発明の熱スイッチ素子１では、フロンなどの冷媒を用いずに熱の輸送を制御することができる。さらに、従来の熱電素子であるペルチェ素子を用いた場合に比べて効率を向上させることが可能であり、本発明の熱スイッチ素子を組み込んだ熱デバイス全体としてのエネルギー消費量を低減することも可能である。なお、図１Ａは、図１Ｂに示す熱スイッチ１を図１Ｂに示す平面Ａで切断した模式断面図である。
【００１６】
本発明の熱スイッチ素子１では、転移体３へのエネルギーの印加に伴う熱伝導度の変化の形態は特に限定されない。例えば、転移体３にエネルギーを印加することによって、エネルギーを印加する前よりも一対の電極２ａと電極２ｂとの間を熱が移動しやすい状態になってもよいし、熱が移動しにくい状態になってもよい。換言すれば、熱スイッチ素子１における電極２ａと電極２ｂとの間を相対的に熱が移動しやすい状態（即ち、転移体３内部の熱の移動が相対的に容易な状態）をＯＮ状態、電極２ａと電極２ｂとの間を相対的に熱が移動しにくい状態（即ち、転移体３内部の熱の移動が相対的に困難な状態）をＯＦＦ状態とした場合に、転移体３にエネルギーを印加することによって熱スイッチ素子１がＯＮ状態となっても、ＯＦＦ状態となってもよい。なお、上述のＯＦＦ状態においては、上記熱伝導度ができるだけ小さいことが好ましい。また、転移体３へのエネルギーの印加に伴う電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化は、線形的であっても非線形的であってもよい。例えば、熱伝導度が変化する印加エネルギーの閾値が存在してもよいし、転移体３に印加するエネルギーに対して熱伝導度の変化がヒステリシスを有していてもよい。これら熱伝導度の変化の形態は、例えば、転移体３が含む相転移材料を選択することによって調節することができる。なお、本明細書において、上記相対的に熱が移動しやすい状態を熱スイッチ素子におけるＯＮ状態、上記相対的に熱が移動しにくい状態を熱スイッチ素子におけるＯＦＦ状態とする。
【００１７】
ここで、電子相転移とは、構造相転移（例えば、固体から液体への変化など物質の構造そのものが変化する相転移）の有無に関わらず物質中の電子の状態が変化するような相転移をいう。このため、転移体３は、エネルギーの印加によって電子の状態が変化する材料を含んでいるともいえる。本発明の熱スイッチ素子１では、転移体３内の電子の状態の変化によって、熱の輸送が制御できる。
【００１８】
一般に、固体物質の熱伝導は、フォノンが寄与する成分と、電子伝導が寄与する成分との和によって示される。フォノンが寄与する成分とは、物質の格子振動によって伝導される熱成分ということができ、その伝導しやすさを格子熱伝導度ともいう。電子伝導が寄与する成分とは、物質に含まれる電子の移動によって伝導される熱成分ということができ、その伝導しやすさを電子熱伝導度ともいう。電子相転移は物質中の電子の状態の変化を伴う相転移であるため、本発明の熱スイッチ素子１は、エネルギーの印加によって少なくとも転移体３の電子熱伝導度が変化する素子であるということもできる。これら、エネルギーの印加に伴う転移体３の電子熱伝導度の変化によって、電極２ａと電極２ｂとの間の熱の輸送が制御されることになる。
【００１９】
このような電子相転移の一例として、絶縁体−金属転移が挙げられる。即ち、本発明の熱スイッチ素子１では、転移体３がエネルギーの印加によって絶縁体−金属転移してもよい。金属状態へ転移した転移体３は、その全体が金属相である必要は必ずしもなく、転移体３が部分的に金属相を含んでいればよい。熱スイッチ素子としての特性の観点から、このような転移を行う場合、転移体３が絶縁体の状態にある際の熱伝導度はできるだけ小さいことが好ましい。換言すれば、転移体３の格子熱伝導度ができるだけ小さいことが好ましい。なお、転移体３の格子熱伝導度ができるだけ小さいことが好ましいのは、転移体３が絶縁体−金属転移を行わない場合においても同様である。
【００２０】
このように、本発明の熱スイッチ素子１では、転移体３にエネルギーを印加することによって、電子を介した熱の輸送を制御することができる。このとき、熱電子を介した熱の輸送が制御されていると考えられる。換言すれば、電極２ａと電極２ｂとの間を相対的に熱が移動しやすい状態（転移体３を相対的に熱が移動しやすい状態：ＯＮ状態）において、転移体３は熱電子の移動が相対的に容易な状態にあるといえる。電極２ａと電極２ｂとの間を相対的に熱が移動しにくい状態（転移体３を相対的に熱が移動しにくい状態：ＯＦＦ状態）においては、転移体３は熱電子の移動が相対的に困難な状態にあるといえる。本発明の熱スイッチ素子１では、このような熱電子の移動状態の変化が、転移体３へのエネルギーの印加に伴う電子相転移によって引き起こされると考えられる。
【００２１】
ここで、熱電子とは「熱移動を伴う電子」を意味している。一般に、熱電子は、金属や半導体を加熱した際にその表面から飛び出す電子をいう場合が多い。本発明の熱スイッチ素子１における転移体３を伝達する電子は、上記一般的にいう熱電子に限定されず、熱の移動を伴う電子であればよい。本発明の熱スイッチ素子は、エネルギーの印加によって熱の輸送を制御する転移体を電極間に配置したことや、転移体などの各層に用いる材料の組み合わせ、各層の構成、配置などによって初めて実現が可能となった素子である。
【００２２】
従って、例えば、JP-01(1989)-216582Aに示されているような超伝導スイッチと、本発明の熱スイッチ素子とは構成が全く異なっていると考えられる。JP-01(1989)-216582Aに開示されている超伝導の状態とは、超流動状態と物理的に類似しており、理想的な熱絶縁の性質を有している。このため、上記引例に開示されている超伝導スイッチでは、本発明の熱スイッチ素子で可能である熱輸送の制御は困難であると考えられる。これに対して、本発明の熱スイッチ素子１における転移体３は、電子の移動が相対的に容易な状態において、常伝導、即ち、超伝導でない状態であればよい。
【００２３】
本発明の熱スイッチ素子１において、転移体３に印加するエネルギーは特に限定されない。例えば、電気エネルギー、光エネルギー、力学エネルギー、磁気エネルギーおよび熱エネルギーから選ばれる少なくとも１種のエネルギーを印加すればよい。どのエネルギーを用いるかは、転移体３に含まれている相転移材料の種類に応じて適宜選択すればよい。なお、複数の種類のエネルギーを転移体３に印加してもよく、この場合、上記複数の種類のエネルギーを同時に印加してもよいし、必要に応じてエネルギーの種類ごとに順序を設けて印加してもよい。例えば、転移体３へ電気エネルギーを印加した後に、光エネルギー、力学エネルギーなどのエネルギーを印加してもよい。それぞれのエネルギーの印加方法は特に限定されない。
【００２４】
転移体３への電気エネルギーの印加は、例えば、転移体３へ電子またはホール（正孔）を注入することによって行ってもよい。また、転移体３に電子またはホールを誘起することによって行ってもよい。転移体３への電子やホールの注入または誘起は、例えば、電極２ａおよび電極２ｂ間に電位差を生じさせることによって行えばよく、より具体的には、例えば、電極２ａおよび電極２ｂ間に電圧を印加することによって行うことができる。その他、電気エネルギーを印加する場合のより具体的な構成例、他のエネルギーを印加する場合の構成例などについては後述する。
【００２５】
熱スイッチ素子１の形状、サイズなどは特に限定されず、熱スイッチ素子１として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、層状の電極２ａ、転移体３および電極２ｂを積層した構造であってもよい。このような積層構造である場合、熱スイッチ素子１の素子面積は、例えば、１×１０2ｎｍ2〜１×１０2ｃｍ2の範囲である。なお、素子面積とは、各層の積層方向（例えば、図１Ｂに示す矢印Ｂの方向）から素子を眺めたときの面積である。
【００２６】
本発明の熱スイッチ素子１における転移体３について説明する。転移体３は、例えば、相転移材料として以下に示す材料を含めばよい。
【００２７】
転移体３は、例えば、式ＡxＤyＯzで示される組成を有する酸化物を含んでいてもよい。ここで、Ａは、アルカリ金属（Ｉａ族）、アルカリ土類金属（IIａ族）、Ｓｃ、Ｙおよび希土類元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ）から選ばれる少なくとも１種の元素である。Ｄは、IIIａ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族、VIIａ族、VIII族およびＩｂ族から選ばれる少なくとも１種の遷移元素である（本明細書における元素の族表示は、ＩＵＰＡＣ（１９７０）に基づいている。ＩＵＰＡＣ（１９８９）に基づく族表示によれば、上記遷移元素は、３族、４族、５族、６族、７族、８族、９族、１０族および１１族から選ばれる少なくとも１種の遷移元素となる）。Ｏは酸素である。上記酸化物は一般に結晶構造を有しており、対応する結晶格子の単位胞における中心位置には基本的に元素Ｄが入り、中心位置にある原子の周囲を複数の酸素原子が囲んだ構造を有している。
【００２８】
ｘ、ｙおよびｚは、正の数であれば特に限定されない。なかでも、以下に示す組み合わせを満たす数値であることが好ましく、この組み合わせによって上記酸化物は複数のカテゴリーに分類できる。転移体３は、以下に示す各カテゴリーに属する酸化物を含んでいてもよい。各カテゴリーに属する酸化物におけるｘ、ｙおよびｚの値は、以下に示す値（例示を含む）を完全に満たしている必要は必ずしもなく、例えば、酸素が一部欠損した酸化物であってもよいし、元素Ａおよび元素Ｄ以外の元素（例えば、IIａ〜Ｖｂ族元素など）が少量ドープされていてもよい。なお、以下に示すカテゴリーは本発明の技術分野において技術常識として固定化されているものではなく、酸化物の説明を分かりやすくするために便宜上設定したカテゴリーである。
【００２９】
−カテゴリー１−
ｘ、ｙおよびｚは、ｘ＝ｎ＋２、ｙ＝ｎ＋１およびｚ＝３ｎ＋４を満たす数値である。ここで、ｎは、０、１、２または３である。
【００３０】
このカテゴリーに属する酸化物には、例えば、Ｓｒ2ＲｕＯ4や（Ｌａ，Ｓｒ）2ＣｏＯ4などのｘｙｚ指数が（２１４）の酸化物、Ｓｒ3Ｒｕ2Ｏ7や（Ｌａ，Ｓｒ）3Ｍｎ2Ｏ7などのｘｙｚ指数が（３２７）の酸化物が挙げられる。これらの酸化物は、いわゆるRuddlesden-Popper構造を示す酸化物である。
【００３１】
なお、ｎ＝０のとき、本カテゴリーの酸化物には、元素Ａの位置に元素Ｄが配置された、および／または、元素Ｄの位置に元素Ａが配置された酸化物が含まれていてもよい。例えば、式ＤxＡyＯzで示される組成を有する酸化物や、式ＤxＤyＯzで示される組成を有する酸化物などが含まれていてもよい。より具体的には、例えば、Ｍｇ2ＴｉＯ4、Ｃｒ2ＭｇＯ4、Ａｌ2ＭｇＯ4（ｘｙｚ指数（２１４））などのスピネル型構造を有する酸化物、Ｆｅ2ＣｏＯ4、Ｆｅ2ＦｅＯ4（即ち、Ｆｅ3Ｏ4）などの元素Ａを含まない酸化物（ｘｙｚ指数（２１４））などが含まれていてもよい。
【００３２】
−カテゴリー２−
ｘ、ｙおよびｚは、ｘ＝ｎ＋１、ｙ＝ｎ＋１およびｚ＝３ｎ＋５を満たす数値である。ここで、ｎは、１、２、３または４である。このカテゴリーに属する酸化物には、例えば、部分的に酸素のインターカレーションを有する酸化物が挙げられる。
【００３３】
−カテゴリー３−
ｘ、ｙおよびｚは、ｘ＝ｎ、ｙ＝ｎおよびｚ＝３ｎを満たす数値である。ここで、ｎは、１、２または３である。このカテゴリーに属する酸化物には、ｎ＝１のとき、例えば、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＳｒＭｎＯ3、ＳｒＲｕＯ3などのペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物が挙げられる。また、ｎ＝２のとき、例えば、Ｓｒ2ＦｅＭｏＯ6、ＳｍＢａＭｎ2Ｏ6などのｘｙｚ指数が（２２６）である酸化物が挙げられる。
【００３４】
−カテゴリー４−
ｘ、ｙおよびｚは、ｘ＝ｎ＋１、ｙ＝ｎおよびｚ＝４ｎ＋１を満たす数値である。ここで、ｎは、１または２である。このカテゴリーに属する酸化物には、ｎ＝１のとき、例えば、Ａｌ2ＴｉＯ5、Ｙ2ＭｏＯ5などのｘｙｚ指数が（２１５）の酸化物が挙げられる。また、ｎ＝２のとき、例えば、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9などの酸化物が挙げられる。
【００３５】
−カテゴリー５−
ｘ、ｙおよびｚは、ｘ＝０または１、ｙ＝０または１、ｚ＝１を満たす数値である。ここで、ｘおよびｙから選ばれるいずれか一方が０である。このカテゴリーに属する酸化物には、例えば、ＢｅＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＮｉＯ、ＭｎＯ、ＣｏＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯなどが挙げられる。
【００３６】
−カテゴリー６−
ｘおよびｙは、ｘ＝０、１または２、ｙ＝０、１または２を満たす数値である。ここで、ｘおよびｙから選ばれるいずれか一方が０であり、ｚは、ｘが０のとき、ｙの値に１を加えた値であり、ｙが０のとき、ｘの値に１を加えた値である。このカテゴリーに属する酸化物には、例えば、ＴｉＯ2、ＶＯ2、ＭｎＯ2、ＧｅＯ2、ＣｅＯ2、ＰｒＯ2、ＳｎＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｖ2Ｏ3、Ｃｅ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｔｉ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3などが挙げられる。
【００３７】
−その他のカテゴリー−
例えば、ｘ＝０または２、ｙ＝０または２、および、ｚ＝５のとき、Ｎｂ2Ｏ5、Ｖ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5などの酸化物が挙げられる。ただし、ｘおよびｙから選ばれるいずれか一方が０である。
【００３８】
転移体３は、上述した酸化物を複数の種類含んでいてもよい。例えば、同一のカテゴリーの中でｎの値が異なる酸化物の構造単位胞や小単位胞が組み合わさった超格子を有する酸化物を含んでいてもよい。具体的なカテゴリーとしては、例えば、上述のカテゴリー１（Ruddlesden-Popper型構造を示す酸化物）やカテゴリー２（酸素のインターカレーションを有する酸化物）などが挙げられる。このような超格子を有する酸化物は、例えば、単独または複数の元素Ｄの酸素八面体層が、元素Ａと酸素とを含む１つ以上のブロック層により分離した結晶格子構造を有している。
【００３９】
また、転移体３は、強相関電子系材料を含んでいてもよい。例えば、モット絶縁体を含んでいてもよい。
【００４０】
また、転移体３は、磁性半導体を含んでいてもよい。磁性半導体の母材となる半導体には、例えば、化合物半導体を用いればよい。具体的には、例えば、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、Ｍｇ2Ｓｎ、Ｍｇ3Ｓｂ2、ＴｉＯ2、ＣｕＩｎＳｅ2、ＣｕＨｇＩｎ4、ＺｎＩｎ2Ｓｅ4、ＣｄＳｎＡｓ2、ＡｇＩｎＴｅ2、ＡｇＳｂＳｅ2、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＢＮ、ＡｌＢＮ、ＧａＩｎＮＡｓなどの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族化合物半導体を母材として用い、これらの化合物半導体にIVａ族〜VIII族およびIVｂ族から選ばれる少なくとも１種の元素を加えた磁性半導体を用いればよい。
【００４１】
あるいは、式Ｑ1Ｑ2Ｑ3で示される組成を有する磁性半導体を用いてもよい。ここで、Ｑ1は、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ）、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＮｉおよびＺｎから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｑ2は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｑ3は、Ｃ、Ｎ、Ｏ、ＦおよびＳから選ばれる少なくとも１種の元素である。元素Ｑ1と元素Ｑ2と元素Ｑ3との組成比は特に限定されない。
【００４２】
あるいは、式Ｒ1Ｒ2Ｒ3で示される組成を有する磁性半導体を用いてもよい。ここで、Ｒ1は、Ｂ、Ａｌ、ＧａおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｒ2は、ＮおよびＰから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｒ3は、IVａ族〜VIII族およびIVｂ族から選ばれる少なくとも１種の元素である。元素Ｒ1と元素Ｒ2と元素Ｒ3との組成比は特に限定されない。
【００４３】
あるいは、式ＺｎＯＲ3で示される組成を有する磁性半導体を用いてもよい。ここで、Ｒ3は上述の元素Ｒ3であり、Ｚｎは亜鉛、Ｏは酸素である。ＺｎとＯと元素Ｒ3との組成比は特に限定されない。
【００４４】
あるいは、式ＴＯＲ3で示される組成を有する磁性半導体を用いてもよい。ここで、Ｔは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ，ＩｎおよびＳｎから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｒ3は上述の元素Ｒ3であり、Ｏは酸素である。元素ＴとＯと元素Ｒ3との組成比は特に限定されない。
【００４５】
また、転移体３が、外部から与えられた電界によってメタ磁性−強磁性転移する材料を含んでいてもよい。例えば、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）やＦｅＲｈなどを用いればよい。この場合、転移体３に電気エネルギーを印加することによって電子相転移させることができる。
【００４６】
また、転移体３に熱エネルギーを印加することによって電子相転移させる場合、例えば、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＳｅ、Ｓｂ2Ｔｅ3、ＧｅＴｅ、Ｇｅ2Ｓｂ2Ｔｅ5、ＩｎＳｂＴｅ、ＧｅＳｅＴｅ、ＳｎＳｂ2Ｔｅ4、ＩｎＳｂＧｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、（Ｇｅ，Ｓｎ）ＳｂＴｅ、ＧｅＳｂ（Ｓｅ，Ｔｅ）、Ｔｅ81Ｇｅ15Ｓｂ2Ｓ2などを含んでもよい。
【００４７】
転移体３の形状、サイズなどは特に限定されず、熱スイッチ素子１として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。図１Ａおよび図１Ｂに示すように層状の転移体３である場合、転移体３の厚さは、例えば、０．３ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、０．３ｎｍ〜１μｍの範囲が好ましい。転移体３の面積（例えば、図１Ｂに示す矢印Ｂの方向から見た面積）は、熱スイッチ素子１として必要な素子面積に応じて任意に設定すればよい。また、転移体３は、複数の層が積層していてもよく、各層の厚さ、含まれる材料などは、転移体３として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。
【００４８】
電極２ａおよび電極２ｂに用いる材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。例えば、線抵抗率が１００μΩｃｍ以下の材料を用いればよく、具体的には例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、ＴｉＮなどを用いればよい。また、必要に応じて半導体材料を用いてもよい。半導体材料を用いる場合は、仕事関数が小さい材料が好ましい。なお、電極２ａおよび電極２ｂの形状、サイズなども特に限定されず、熱スイッチ素子１として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。
【００４９】
次に、本発明の熱スイッチ素子の構成例について説明する。
【００５０】
図２は、本発明の熱スイッチ素子の別の一例を示す模式断面図である。図２に示す熱スイッチ素子１は、図１Ａおよび図１Ｂに示す熱スイッチ素子１に対して絶縁体４をさらに含み、転移体３と電極２ｂとの間に絶縁体４が配置されている。このような熱スイッチ素子１では、絶縁体４の熱伝導性が小さいために、転移体３がＯＦＦ状態の時に熱スイッチ素子１全体としての熱伝導性をさらに小さくすることができる。このため、より効率が高い熱スイッチ素子１とすることができる。また、後述するが、絶縁体４を配置することによって、一方の電極から他方の電極へと熱を伝導する冷却素子とすることもできる。
【００５１】
絶縁体４の熱伝導度は、ＯＦＦ状態における転移体３（例えば、絶縁体−金属転移を行う転移体３であれば、絶縁体の状態における転移体３）の熱伝導度よりも小さいことが好ましい。より効率が高い熱スイッチ素子１とすることができる。
【００５２】
図２に示すように絶縁体４が配置されている熱スイッチ素子１では、電極２ａと電極２ｂとの間を伝導する電子（熱電子）が感じるギャップポテンシャルは、転移体３の電子相転移に伴って大きく変化すると考えられる。例えば、熱の移動が相対的に容易であるＯＮ状態（例えば、絶縁体−金属転移を行う転移体３であれば、金属相を含む状態である）において、熱電子は転移体３における絶縁体４に面する端部から絶縁体４を介して電極２ｂに伝導することになる。この際の熱電子の伝導を確保する観点からは、絶縁体４の厚さは、例えば、５０ｎｍ以下の範囲であればよく、さらに熱の輸送効率の観点からは、１５ｎｍ以下の範囲が好ましい。なお、絶縁体４の厚さの下限は特に限定されないが、例えば、０．３ｎｍ以上であればよい。なお、絶縁体４の形状は特に限定されず、転移体３および電極２ｂなどの形状に応じて任意に設定すればよい。
【００５３】
絶縁体４が配置されている熱スイッチ素子１では、熱電子は絶縁体４を超えて電極２ａから（あるいは転移体３から）電極２ｂへと伝達される。このとき、熱電子は、トンネル伝達やバリスティック伝達、いわゆるサーミオニック（thermionic）伝達などによって絶縁体４を介して電極２ｂへと伝達されると考えられる。伝達の方法は、絶縁体４に用いる材料、絶縁体４の厚さ（即ち、上述のギャップポテンシャル）などによって異なる。言い換えれば、例えば、絶縁体４に用いる材料や絶縁体４の厚さを制御することによって、伝達の方法をコントロールすることも可能である。
【００５４】
絶縁体４として、例えば、真空を用いてもよい。絶縁体４として真空を用いた場合、素子の構成を簡素化することができる。絶縁体４として真空を用いた熱スイッチ素子の作成方法については後述する。なお、真空とは、例えば、１Ｐａ程度以下の圧力雰囲気であればよい。また、絶縁体４として真空を用いた場合、熱電子は、基本的にはサーミオニック伝達されると考えられる。絶縁体４の厚さによってはトンネル伝達する熱電子も存在すると考えられる。
【００５５】
また、絶縁体４として、例えば、酸化物などのセラミクスや、樹脂などの一般的な固体状の絶縁材料を用いてもよい。このとき、絶縁体４として、アモルファスあるいは微結晶の状態にある絶縁体を用いることが好ましい。なお、本明細書における微結晶の状態とは、平均結晶径が１０ｎｍ以下の結晶粒がアモルファスの基体中に分散した状態をいう。固体状の絶縁体を用いる場合、絶縁体４はトンネル絶縁体として形成するのが好ましい。絶縁体４がトンネル絶縁体である場合、熱を輸送する熱電子は絶縁体４をトンネル伝達されることになる。トンネル絶縁体を形成するためには、例えば、一般的にトンネル絶縁性とされる材料を用いればよい。より具体的には、例えば、Ａｌ、Ｍｇなどの酸化物、窒化物、酸窒化物などを用いればよい。トンネル絶縁体である場合の絶縁体４の厚さは、例えば、０．５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であり、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲が好ましい。
【００５６】
また、絶縁体４として、例えば、無機高分子材料を用いてもよい。無機高分子材料としては、例えば、シリケート材料やアルミシリケート材料などを用いればよい。図３に、無機高分子材料の構造の一例を示す。図３に示すように、シリケート材料やアルミシリケート材料などの無機高分子は多孔質構造を有しており、固体でありながら、その内部に中空領域５を無数に有している。中空領域５の平均径は空気の平均自由工程距離に比べて小さく、中空領域５の内部における気体の移動度が実質的に小さいため、無機高分子材料は熱を伝えにくい。このため、そのまま絶縁体４として用いてもよいが、例えば、中空領域５に熱伝導度が小さい気体を充填したり、中空領域５を真空にしたりすることによって、より熱伝導度が小さい絶縁体４とすることができる。
【００５７】
図３に示す無機高分子材料についてより詳しく説明する。図３に示す無機高分子材料は、全体の骨格を形成する母材６を含んでいる。母材６は平均粒径が数ｎｍ程度の粒子であり、三次元的なネットワークを形成することによって多孔質構造の骨格を形成している。無機高分子材料は、母材６によって形成された骨格によって固体としての形状を保ちながら、平均径が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の連続した中空領域５を無数に含んでいる。このような多孔質構造からなる絶縁体４を図２に示すように配置し、転移体３がＯＮ状態のときに電極２ａおよび電極２ｂ間に電圧を印加すると（電極２ａおよび電極２ｂ間に電圧を印加することによって転移体３をＯＮ状態としてもよい）、母材６からなる骨格部分に電界が集中する。この電界の集中により、電極あるいは転移体から絶縁体４の内部に効率的に熱電子が供給され、供給された熱電子は絶縁体４の内部を放射伝導される。この際の熱電子の伝達は、主としてバリスティック的な伝達によって行われると考えられる。このような電界が集中する効果は、絶縁体４を図３に示すような多孔質構造とすることによって顕著になる効果であり、絶縁体４が図３に示すような多孔質構造を有しない場合に比べて、熱電子を伝達するために電極２ａおよび電極２ｂ間に印加する電圧を低減することができる。
【００５８】
なお、図３に示す無機高分子材料において、供給した熱電子の一部は、多孔質構造を形成する母材６などの固相領域によって散乱され、エネルギーを失うと考えられる。しかし、固相領域の大きさは平均数ｎｍ程度であるため、供給した熱電子の多くを熱の伝達に利用することができると考えられる。
【００５９】
また、図３に示す無機高分子材料は、中空領域５の平均径と同程度、あるいはそれ以下の平均粒径を有する電子放出材７をさらに含んでおり、電子放出材７は母材６と接するようにして無機高分子中に分散して配置されている。このように電子放出材７を含む無機高分子材料では、熱電子の一部が上記固相領域によって散乱された場合においても、散乱された熱電子が電子放出材７に伝達されることによって再放出され、再び熱の輸送を担うことができる。再放出された熱電子が固相領域によってさらに散乱された場合についても同様である。このため、より効率が高い熱スイッチ素子とすることができる。電子放出材７は、仕事関数が小さい材料が好ましく、具体的には、例えば、炭素材料、Ｃｓ化合物、アルカリ土類金属化合物などを用いればよく、その平均粒径は、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の範囲である。なお、図３中に示す「ｅー」は。電子が再放出されている状態を示している。
【００６０】
絶縁体４として、上述した無機高分子材料に限定されず、同様の中空領域、例えば、連続的な空孔、あるいは、独立した空孔を有する絶縁材料を用いてもよい。上述の無機高分子材料を用いた場合と同様の効果を得ることができる。このような絶縁材料は、母材となる粉体を形成した後に粉体焼成を行う方法や、化学発泡、物理発泡、ゾル−ゲル法などの方法によって形成することができる。ただし、平均径が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の空孔を無数に有していることが好ましい。また、無機高分子材料と同様に、電子放出材を含んでいてもよい。無機高分子材料の場合と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
具体的には、例えば、ゾル−ゲル法によって作成された乾燥ゲルを用いてもよい。上記乾燥ゲルは、平均粒径が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の範囲の粒子で構成される骨格部と、平均径が１００ｎｍ程度以下の連続的な中空領域とを有しているナノ多孔質体である。ゲルの材料としては、例えば、上述した電界の集中を効率的に行う観点から、半導体材料あるいは絶縁材料が好ましく、なかでも、シリカ（酸化ケイ素）を用いることが好ましい。シリカを用いた乾燥ゲルである多孔質シリカゲルの作製方法については後述する。
【００６２】
図４に本発明の熱スイッチ素子のまた別の一例を示す。図４に示す熱スイッチ素子１は、図２に示す熱スイッチ素子に対して電極８をさらに含み、転移体３と絶縁体４との間に電極８が配置されている。このような構成とすることによって、より効率が高い熱スイッチ素子１とすることができる。
【００６３】
電極８に用いる材料は、上述した電極２ａおよび電極２ｂに用いる材料と同様であればよい。なかでも、真空準位に対する仕事関数が小さい（例えば、２ｅＶ以下）材料が好ましい。具体的には、例えば、Ｃｓ化合物やアルカリ土類金属化合物などを用いればよい。このような材料を用いた場合、絶縁体４への熱電子の供給をより効率よく行うことができる。
【００６４】
電極８の形状、サイズなどは特に限定されず、熱スイッチ素子１として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。図４に示すような層状の電極８である場合、その厚さは、例えば、サブナノメートルのオーダーから数μｍの範囲である。
【００６５】
なお、図１、図２および図４に示す熱スイッチ素子１における各層の間に、必要に応じて別の材料をさらに配置してもよい。
【００６６】
次に、本発明の熱スイッチ素子における転移体へのエネルギーの印加方法について説明する。
【００６７】
図５は、転移体３へ電気エネルギーを印加する方法の一例を説明するための模式図である。図５に示すように、転移体３へのエネルギーの印加を行う電極１０と絶縁体９とをさらに含み、転移体３と電極１０との間に絶縁体９を配置することによって転移体３へ電気エネルギーを印加することができる。具体的には、例えば、電極１０と転移体３との間に電圧Ｖｇを印加すればよい。電圧Ｖｇを印加することによって、例えば、転移体３に電子またはホールを注入または誘起することができ、転移体３にエネルギーを印加することができる。注入または誘起された電子は、そのまま熱電子として熱の輸送を担うことができる。
【００６８】
図６に、図５に示す構造を含んだ熱スイッチ素子の一例を示す。図６に示す熱スイッチ素子１は、図４に示す熱スイッチ素子１に対して、絶縁体９と電極１０とをさらに含んでいる。絶縁体９および電極１０は、転移体３と電極１０とによって絶縁体９を狭持するように配置されている。また、絶縁体９および電極１０は、電極２ａおよび電極２ｂの電位に影響を与えないように、具体的には、印加する電圧Ｖｇの方向が転移体３の内部において熱電子が伝導される方向とほぼ垂直になるように配置されている。図６に示す熱スイッチ１では、転移体３と電極１０との間に電圧Ｖｇを印加することによって、転移体３を電子相転移させることができる。また、図６に示す例において、電圧Ｖｇの印加を、電極１０と電極２ａとの間で行ってもよい。なお、本発明の熱スイッチ素子において、電圧Ｖｇを印加する方法は特に限定されない。例えば、別に配置した電圧印加部と、本発明の熱スイッチ素子とを電気的に接続すればよい。本発明の熱スイッチ素子が電気回路に組み込まれている場合、電圧印加部は、例えば、上記電気回路が含んでいてもよい。その他、本発明の熱スイッチ素子における電圧を印加したい領域の間に（例えば、図６に示す例であれば、転移体３と電極１０との間に）電位差を与えることができる限り、電圧Ｖｇを印加する方法、構成などは任意に設定すればよい。
【００６９】
電極１０に用いる材料は、上述した電極２ａおよび電極２ｂに用いる材料と同様であればよい。また、絶縁体９に用いる材料は、絶縁材料、半導体材料であれば特に限定されない。例えば、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａおよびＣｒを含むIIａ族〜VIａ族元素、およびランタノイド（Ｌａ、Ｃｅを含む）、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、ＧａおよびＳｉを含むIIｂ族〜IVｂ族から選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｆ、Ｏ、Ｃ、ＮおよびＢから選ばれる少なくとも１種の元素との化合物を用いればよい。具体的には、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどを、半導体として、ＺｎＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3、ＡｌＮ、ＳｉＣなどを用いればよい。
【００７０】
絶縁体９の形状、サイズなどは特に限定されず、例えば、図６に示すように層状である場合、その厚さは、例えば、サブナノメートルのオーダーから数μｍの範囲である。
【００７１】
図７Ａおよび図７Ｂは、転移体３へ磁気エネルギーを印加する方法の一例を説明するための模式図である。図７Ａおよび図７Ｂに示す構造は図５に示す構造と同様であるが、電圧Ｖｇを印加する代わりに電極１０に電流１１を流して磁界１２を発生させ、発生した磁界１２を転移体３へ導入することによって転移体３にエネルギーを印加することができる。なお、図７Ａは図７Ｂに示す構造を図１Ａと同様に切断した模式断面図である。
【００７２】
図７Ａおよび図７Ｂに示す構造を含んだ熱スイッチ素子は、例えば、図６に示す構造を有する熱スイッチ素子１であればよく、電圧Ｖｇを印加する代わりに電極１０に電流を流し、発生した磁界を転移体３に導入すればよい。電極１０に電流を流すことによって、転移体３を電子相転移させることができる。なお、電圧Ｖｇの印加と、電極１０に電流を流して磁界を発生させ転移体３に導入することとを同時、あるいは、順序を決めて行ってもよい。転移体３へ、電気エネルギーと磁気エネルギーとの双方を印加することができる。なお、転移体３へ磁気エネルギーを印加する場合、絶縁体９の厚さ（電極１０と転移体３との距離ともいえる）は、例えば、数ｎｍ〜数μｍの範囲である。また、電極１０と転移体３とが電気的に短絡しない限り、絶縁体９は必ずしも配置しなくてもよい。例えば、電極１０と転移体３とを、数ｎｍ〜数μｍ程度離して配置してもよい。
【００７３】
転移体３へ磁気エネルギーを印加する場合、電極１０で発生した磁界を集束する磁束ガイドを電極１０に接して、あるいは、電極１０の近傍に配置してもよい。磁束ガイドを配置することによって、転移体３に磁界１２が効率よく導入され、より効率が高い熱スイッチ素子とすることができる。
【００７４】
配置する磁束ガイドの形状は、電極１０において発生した磁界を集束することができる限り、特に限定されない。熱スイッチ素子として必要な特性、製造プロセス上の要求などに応じて、任意に設定すればよい。例えば、図８Ａに示すように、磁束ガイド１３と電極１０とを組み合わせた場合の断面が矩形状であってもよいし、図８Ｂに示すように台形状であってもよい。図８Ｂに示す例のように台形状である場合、磁界を導入する対象である転移体３により近い位置でより多くの電流を流すことができるため、より効率よく転移体３に磁界を導入することができる。なお、図８Ａおよび図８Ｂに示す例では、電極１０と磁束ガイド１３とが密着した形状となっているが、必ずしも両者は密着している必要はない。ただし、両者が密着している場合、より効率よく転移体３に磁界を導入することができる。また、図８Ａおよび図８Ｂでは、説明を分かりやすくするために、電極２ａ、電極２ｂなどの図示を省略している。以降の図においても、同様に、電極２ａ、電極２ｂなどの図示を省略する場合がある。実際に熱スイッチ素子として使用する際には、電極２ａおよび電極２ｂ、また、必要に応じて電極８、絶縁体４などを任意の位置に配置すればよい。
【００７５】
磁束ガイド１３に用いる材料は、電極１０において発生した磁界を集束することができる限り、特に限定されず、例えば、強磁性材料を用いればよい。より具体的には、例えば、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含む軟磁性合金膜を用いればよい。
【００７６】
また、磁束ガイド１３に用いる強磁性材料は、過度に大きな保磁力を有していないことが好ましい。過度に大きい保磁力を有する強磁性材料を磁束ガイドとして用いた場合、磁束ガイド１３自身の磁化保持によって転移体３に加える磁界の制御性が低下したり、磁束ガイド１３自身の磁化方向を変化させるためにエネルギーが余分に必要となり熱スイッチ素子としての効率が低下したりする可能性がある。
【００７７】
図９に、転移体３へ磁気エネルギーを印加する方法の別の一例を示す。転移体３へ磁気エネルギーを印加するために、図９に示すような構造としてもよい。図９に示す例では、転移体３を囲むように電極１０が配置されており、転移体３の両側面（図９に示す側面Ｃおよび側面Ｄ）に面する電極１０に逆位相の電流を流すことができる。このため、転移体３に導入する磁界を強めることができ、より効率が高い熱スイッチ素子とすることができる。
【００７８】
図１０Ａおよび図１０Ｂに、転移体３へ磁気エネルギーを印加する方法のまた別の一例を示す。図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例では、図９に示す例に対して、磁束ガイド１３がさらに配置されている。また、磁束ガイド１３は、磁界を導入する対象である転移体３の近傍にのみ配置されている。この場合、磁束ガイド１３が有する保磁力を不必要に増大させることなく、より効率よく転移体３に磁界を導入することができるなお、図１０Ｂは、図１０Ａを図１０Ａに示すＣ−Ｄ方向に切断した断面図である。
【００７９】
また、転移体３の近傍に磁束ガイド１３を配置するにあたっては、図１１に示すように、磁束ガイド１３を分割して配置してもよい。この場合、磁束ガイド１３が有する保磁力の増大をより抑制し、かつ、より効率よく転移体３に磁界を導入することができる。なお、図１１に示す例は、磁束ガイド１３以外は図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例と同様である。
【００８０】
図１２Ａおよび図１２Ｂに、転移体３へ磁気エネルギーを印加する方法のまた別の一例を示す。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す例では、より効率よく転移体３に磁界を導入することができる。なかでも、転移体３が垂直方向の磁界により反応する場合に好ましい。
【００８１】
図１３は、転移体３へ光エネルギーを印加する方法の一例を示す模式図である。図１３に示すように、転移体３へ光エネルギーを印加するためには、転移体３へ光１４を入射すればよい。転移体３へ光１４を入射する際には、図１４Ａに示すように光１４を転移体３に直接入射してもよいし、図１４Ｂに示すように電極２ａおよび／または電極２ｂを介して光１４を入射してもよい。
【００８２】
電極２ａおよび／または電極２ｂを介して光１４を入射する場合には、光１４が入射する電極（図１４Ｂに示す例では、電極２ｂ）が光１４に対する透過性を有している必要がある。このため、上記電極に用いる材料は、入射する光の帯域に応じて選択すればよい。入射する光が可視光および／または赤外光の場合、電極の材料には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）やＺｎＯなどを用いればよい。入射する光がテラヘルツ光の場合、電極の材料には、例えば、ＭｇＯなどを用いればよい。なお、電極が光を透過する度合、例えば、電極の光透過度は特に限定されず、熱スイッチ素子として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。また、転移体３へ光を入射する方法は、転移体３へ光を入射することができる限り特に限定されない。例えば、図４に示す熱スイッチ素子１において、転移体３に入射する光に対して透過性を有する材料を電極８および絶縁体４にも用い、電極２ｂ側から光を入射してもよい。
【００８３】
図１５は、転移体３へ熱エネルギーを印加する方法の一例を示す模式図である。図１５に示す例では、転移体３と電極１０との間に発熱体１５が配置されており、電極１０に電流を流すことによって発熱体１５に電流が流れ発熱体１５が発熱する。このようにして、転移体３に熱エネルギーを印加することができる。発熱体１５には、電流が流れることによって発熱する材料、例えば、抵抗体などを用いればよい。また、発熱体１５と転移体３との間に、必要に応じて他の層、例えば、絶縁体を配置してもよい。
【００８４】
なお、図１５に示す例に限らず、転移体３へ熱エネルギーを印加する方法は特に限定されない。例えば、図１０に示す発熱体に光や電波を照射することによって発熱させ、転移体３へ熱エネルギーを印加してもよい。また、電極１０に流す電流により電極１０自体を発熱させることによって、転移体３へ熱エネルギーを印加してもよい。
【００８５】
図１６は、転移体３へ力学エネルギーを印加する方法の一例を示す模式図である。図１６に示す例では、転移体３と電極１０との間に変位体１６が配置されており、電極１０に電流を流すことによって変位体１６が変形する。即ち、変位体１６を配置することによって、転移体３へ力学エネルギーの１種である圧力を印加することができる。
【００８６】
変位体１６には、例えば、圧電材料や磁歪材料を用いればよい。変位体１６が圧電材料を含む場合、例えば、電極１０を流れる電流を変位体１６に導入すればよい。変位体１６が磁歪材料を含む場合、例えば、電極１０を流れる電流により発生した磁界を変位体１６に導入すればよい。
【００８７】
以上、転移体３へのエネルギーの印加方法を説明したが、上述の説明から明らかであるように、本発明の熱スイッチ素子では複数の異なる種類のエネルギーを同時に、あるいは順序を決めて転移体３に印加することができる。例えば、電極１０を異なる種類のエネルギーの印加に用いることができる。なお、図５〜図１７に示す各層の間に、必要に応じて別の材料をさらに配置してもよい。
【００８８】
本発明の熱スイッチ素子１は、電極２ａおよび電極２ｂから選ばれる一方の電極から他方の電極へと熱を伝導する冷却素子としても用いることができる。例えば、図１に示す熱スイッチ素子１において、転移体３に絶縁体としての機能を併せ持つ材料を用いることなどによって、一定の方向に熱を伝導する素子とすることができる。このような材料としては、（Ｐｒ，Ｃａ）ＭｎＯ3やＶＯ2など、また、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10などの層状物質などが挙げられる。層状物質の場合、例えば、その層間方向を利用すればよい。なお、「一方の電極から他方の電極へと熱を伝導する」、および、「一定の方向に熱を伝導する」とは、その反対の方向へ全く熱を伝導しない場合のみを意味するわけではない。例えば、電極２ａから電極２ｂへの熱の伝導と、電極２ｂから電極２ａへの熱の伝導とが非対称であってもよい。見かけ上、一定の方向に熱が伝導される現象が生じることになる。
【００８９】
また、図２に示すように、絶縁体４を配置した熱スイッチ素子１では、絶縁体４の材料、厚さなどを制御することなどによって、電極２ａから電極２ｂへ向かう方向と、電極２ｂから電極２ａへ向かう方向とにおける熱電子の伝導度を非対称にすることができる。このため、一定の方向に熱を伝導する素子、即ち、冷却素子とすることができる。なお、一方向の熱の伝導を実現するためには、転移体３がＯＮ状態にあることが必要である。
【００９０】
次に、本発明の熱スイッチ素子の製造方法について説明する。
【００９１】
熱スイッチ素子を構成する各層の形成には、一般的な薄膜形成プロセスを用いればよく、例えば、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビームデポジション（ＩＢＤ）、クラスターイオンビーム、および、ＲＦ、ＤＣ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、ヘリコン、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、対向ターゲットなどの各種スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法などを用いればよい。また、これらＰＶＤ法の他に、ＣＶＤ法、メッキ法あるいはゾルゲル法などを用いてもよい。微細加工を行う必要がある場合、半導体プロセスや磁気ヘッド作製プロセスなどに一般的に用いられている手法を組み合わせればよい。具体的には、例えば、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）などの物理的または化学的エッチング法、微細パターン形成のためのステッパー、電子ビーム（ＥＢ）法などを用いたフォトリソグラフィー技術などを組み合わせればよい。電極などの各層の表面を平坦化するためには、例えば、ＣＭＰ（Chemo-Mechanical Polishing）やクラスターイオンビームエッチングなどを用いればよい。また、各層を形成する際には、基体上に形成してもよい。基体に用いる材料は特に限定されず、例えば、ＳｉやＳｉＯ2、あるいは、ＧａＡｓやＳｒＴｉＯ3などの酸化物単結晶などを用いればよい。
【００９２】
図２に示すように転移体３と電極２ｂとの間に絶縁体４をさらに含み、かつ、絶縁体４が真空である熱スイッチ素子１の製造方法を示す。このような熱スイッチ素子１の製造方法において、真空である絶縁体４（以下、真空絶縁部、ともいう）を転移体３と電極２ｂとの間に形成する方法は特に限定されない。例えば、転移体３と電極２ｂとを所定の間隔で配置することによって電極２ｂと転移体３との間に空間を形成し、形成した空間を真空に保持することによって電極２ｂと転移体３との間に絶縁体４を形成してもよい。このような製造方法の一例を図１７に示す。
【００９３】
図１７に示す例では、電極２ａおよび転移体３を含む積層体と電極２ｂとを、電極２ｂと転移体３とが面するように所定の間隔で配置することによって、電極２ｂと転移体３との間に空間を形成している（工程（Ｉ））。ここで、形成した空間を真空に保持することによって、電極２ａと転移体３との間に真空絶縁部を形成することができる（工程（II））。
【００９４】
工程（Ｉ）における所定の間隔は、例えば、形成する真空絶縁部として必要な厚さであればよく、具体的には上述したように、例えば、５０ｎｍ以下の範囲であればよく、なかでも１５ｎｍ以下の範囲が好ましい。上記間隔の下限は特に限定されないが、例えば、０．３ｎｍ以上であればよい。
【００９５】
工程（Ｉ）において、積層体と電極２ｂとを所定の間隔で配置し、電極２ｂと転移体３との間に空間を形成する方法は特に限定されない。例えば、積層体および／または電極２ｂを、両者の間隔を制御しながら移動させればよく、その方法は特に限定されない。より具体的には、例えば、図１７に示すように、電極２ｂおよび／または上記積層体を移動するように圧電体１７を配置し（工程（Ｉ−ａ））、配置した圧電体１７を変形させればよい（工程（Ｉ−ｂ））。圧電体１７が変形（膨張および／または収縮）するに伴って電極２ｂおよび／または積層体が移動するため、積層体と電極２ｂとを所定の間隔で配置することができる。なお、積層体と電極２ｂとを所定の間隔で配置するために、圧電体１７を膨張させても収縮させてもよく、膨張と収縮とを組み合わせてもよい。
【００９６】
工程（Ｉ−ａ）において、圧電体１７の配置方法は、電極２ｂおよび／または上記積層体が移動できる限り特に限定されない。例えば、図１７に示すように、電極２ｂおよび／または上記積層体に接するように圧電体１７を配置すればよい。図１７では、電極２ｂと上記積層体との双方に接するように圧電体１７が配置されているため、電極２ｂと上記積層体との双方を移動できる。いずれか一方のみに接するように圧電体１７が配置されていてもよい。圧電体１７には、一般的な圧電材料を用いればよい。なお、圧電体１７と電極２ａおよび／または電極２ｂとの間に、必要に応じて別の層を配置してもよい。
【００９７】
工程（II）において、工程（Ｉ）で形成した空間を真空に保持する方法は特に限定されない。例えば、工程（Ｉ）の後に、積層体および電極２ｂ間の間隔を維持したまま、上記空間を真空とし密閉してもよい。上記空間を真空とするためには、例えば、積層体および電極２ｂを含む全体を真空の雰囲気下におけばよい。また、工程（Ｉ）と工程（II）とを同時に行ってもよい。例えば、真空の雰囲気下において工程（Ｉ）を行い、積層体と電極２ｂとの間に形成した空間をそのまま密閉すればよい。その他、工程（Ｉ）が複数の工程を含む場合、工程（Ｉ）の途中で、積層体および電極２ｂの全体を真空の雰囲気下においてもよい。なお、真空とは、上述したように、例えば、１Ｐａ程度以下の状態であればよい。
【００９８】
図１７に示す例では、電極２ｂと、電極２ａおよび転移体３を含む積層体とを用いて熱スイッチ素子を形成したが、電極２ａは真空絶縁部の形成とは別に配置してもよい。具体的には、例えば、以下のようにすればよい。最初に、転移体３と電極２ｂとを、電極２ｂと転移体３とが面するように所定の間隔で配置することによって、電極２ｂと転移体３との間に空間を形成する（工程（ｉ））。図１７において、電極２ａが省かれている状態である。次に、上記形成した空間を真空に保持することによって、電極２ｂと転移体３との間に真空絶縁部を形成する（工程（ii））。次に、転移体３が電極２ｂと電極２ａとの間に配置されるように、電極２ａを配置すればよい（工程（iii））。
【００９９】
工程（ｉ）における空間の形成方法および工程（ii）における真空絶縁部の形成方法は、上述した工程（Ｉ）における方法、工程（II）における方法と同様であればよい。例えば、工程（ｉ）が、（ｉ−ａ）電極２ｂおよび転移体３から選ばれる少なくとも１つを移動するように圧電体１７を配置する工程と、（ｉ−ｂ）配置した圧電体１７を変形させることによって、電極２ｂと転移体３とを所定の間隔で配置し、電極２ｂと転移体３との間に空間を形成する工程とを含んでいてもよい。
【０１００】
工程（iii）における電極２ａを配置する方法は特に限定されず、例えば、上述した薄膜形成方法を用いればよい。なお、工程（iii）は、必ずしも工程（ii）の後に行う必要はなく、例えば、工程（ｉ）から工程（ii）における任意の時点で行ってもよい。
【０１０１】
転移体３と電極２ｂとの間に絶縁体４をさらに含み、かつ、絶縁体４が真空絶縁部である熱スイッチ素子１の製造方法の別の一例を図１８Ａ〜図１８Ｄに示す。
【０１０２】
最初に、図１８Ａに示すように、電極２ａと、転移体３と、電極２ｂとを含み、真空絶縁部の代わりに中間体１８を配置した多層膜を形成する（工程（Ａ））。真空絶縁部の代わりに中間体１８を配置しているため、上記多層膜における積層の順序は、電極２ａ、転移体３、中間体１８、電極２ｂとなる。ここで、中間体１８には転移体３よりも力学的に破壊しやすい材料を用いればよい。力学的に破壊しやすい材料とは、例えば、圧縮力や引張力を加えた場合に転移体よりも破壊しやすい材料であればよい。即ち、例えば、転移体３よりも強度が小さい材料を用いればよい。より具体的には、例えば、Ｂｉ、Ｐｂ、Ａｇなどを用いればよい。中間体１８の厚さは、例えば、真空絶縁部として必要な厚さであればよく、具体的には上述の通りである。
【０１０３】
次に、図１８Ｂに示すように、上記多層膜の積層方向に多層膜を伸張することによって中間体１８を破壊する。その後、図１８Ｃに示すように、残存する中間体１８に気体１９を吹き付けることによって中間体１８を除去し、転移体３と電極２ｂとの間に空間を形成する（工程（Ｂ））。
【０１０４】
次に、図１８Ｄに示すように、形成した空間を真空に保持することによって、電極２ｂと転移体３との間に真空である絶縁体４が形成された熱スイッチ素子を得ることができる（工程（Ｄ））。この方法では、真空絶縁部の厚さを中間体１８の厚さとすることができるため、図１７に示す方法に比べて、真空絶縁部の厚さ（電極２ｂと転移体３との距離）の制御をより容易に行うことができる。
【０１０５】
工程（Ａ）において、多層膜を形成する方法は特に限定されず、例えば、上述した成膜方法を用いればよい。
【０１０６】
工程（Ｂ）において、多層膜をその積層方向に伸張する方法は特に限定されない。例えば、図１８Ｂに示すように、圧電体１７を用いればよい。具体的には、工程（Ｂ）が、（Ｂ−ａ）多層膜の少なくとも一方の主面に接すように圧電体１７を配置する工程と、（Ｂ−ｂ）配置した圧電体１７を変形（膨張および／または収縮）させることによって、多層膜の積層方向に多層膜を伸張させ、中間体１８を破壊する工程とを含んでいてもよい。
【０１０７】
工程（Ｂ−ａ）において、圧電体１７の配置方法は、多層膜を伸張できる限り特に限定されない。例えば、図１８Ｂに示すように、多層膜に含まれる電極２ｂに接するように圧電体１７を配置すればよい。電極２ａ側に圧電体１７が配置されていてもよく、電極２ａ側および電極２ｂ側の双方に圧電体１７が配置されていてもよい。圧電体１７には、一般的な圧電材料を用いればよい。なお、圧電体１７と電極２ａおよび／電極２ｂとの間に、必要に応じて別の層を配置してもよい。
【０１０８】
工程（Ｂ−ｂ）において、多層膜を伸張するために、圧電体１７を膨張させても収縮させてもよく、膨張と収縮とを組み合わせてもよい。例えば、圧電体１７の収縮量と膨張量とが同じになるように、膨張と収縮とを組み合わせれば、中間体１８の厚さと同じ間隔（転移体３と電極２ｂとの間隔）を有する空間を形成することができる。
【０１０９】
工程（Ｂ）において、破壊後に残存する中間体１８を除去する方法は特に限定されない。例えば、図１８Ｃに示すように、気体１９を吹き付けることによって除去すればよい。気体だけでなく、液体を吹き付けることによって除去してもよい。気体を用いる場合、用いる気体の種類は特に限定されず、例えば、中間体１８と反応性を有する気体を用いればよい。
【０１１０】
工程（Ｃ）において、工程（Ｂ）で形成した空間を真空に保持する方法は特に限定されない。例えば、工程（Ｂ）の後に、転移体３と電極２ｂとの間隔を維持したまま、上記空間を真空とし密閉してもよい。上記空間を真空とするためには、例えば、転移体３、電極２ｂ、電極２ａを含む全体を真空の雰囲気下におけばよい。また、工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）と、工程（Ｃ）とを同時に行ってもよい。例えば、真空の雰囲気下において工程（Ａ）および工程（Ｂ）を行い、転移体３と電極２ｂとの間に形成した空間をそのまま密閉してもよい。その他、工程（Ａ）から工程（Ｂ）中の任意の時点で、転移体３、電極２ａおよび電極２ｂの全体を真空の雰囲気下においてもよい。なお、真空とは、上述したように、例えば、１Ｐａ程度以下の状態であればよい。
【０１１１】
次に、絶縁体４に用いるナノ多孔質体の製造方法の一例を示す。ナノ多孔質体の一例として多孔質シリカの作製方法を示す。
【０１１２】
多孔質シリカを得る方法は、湿潤ゲルを作製する工程と、作製した湿潤ゲルを乾燥する工程（乾燥工程）とに大きく分類される。
【０１１３】
最初に、湿潤ゲルを作製する工程について説明する。シリカの湿潤ゲルは、例えば、溶媒中で混合したシリカの原料をゾル−ゲル反応させることによって合成できる。このとき、必要に応じて触媒を用いてもよい。湿潤ゲルの形成過程では、溶媒中において、上記原料が反応しながら微粒子を形成し、形成した微粒子が三次元的にネットワーク化して網目状骨格を形成する。原料および溶媒の組成を選択する、あるいは、必要に応じて触媒、粘度調整剤などを加えることによって、上記骨格の形状（例えば、形成した多孔質シリカにおける空孔の平均径など）を制御することができる。実際の作製工程においては、溶媒中で混合したシリカの原料を基板上に塗布し、塗布した状態で一定時間経過させることによってゲル化させ、シリカの湿潤ゲルを作製してもよい。
【０１１４】
基板上への塗布方法は特に限定されず、例えば、スピンコート法、ディップ法、スクリーン印刷法などを、必要な膜厚、形状などに応じて選択すればよい。
【０１１５】
湿潤ゲルを作製する際の温度は特に限定されず、例えば、室温近傍であればよい。必要に応じて、用いた溶媒の沸点以下の温度まで加熱してもよい。
【０１１６】
シリカの原料には、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、トリメトキシメチルシラン、ジメトキシジメチルシランなどのアルコキシシラン化合物、および、これらのオリゴマー化合物、あるいは、ケイ酸ナトリウム（ケイ酸ソーダ）、ケイ酸カリウムなどの水ガラス化合物、あるいは、コロイダルシリカなどを単独あるいは混合して用いればよい。
【０１１７】
溶媒は、原料が溶解してシリカを形成することができれば特に限定されず、例えば、水、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、トルエン、ヘキサンなどの一般的な無機・有機溶媒を単独あるいは混合して用いればよい。
【０１１８】
触媒には、例えば、水、あるいは、塩酸、硫酸、酢酸などの酸、あるいは、アンモニア、ピリジン、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの塩基を用いればよい。
【０１１９】
粘度調整剤は、原料を混合した溶媒の粘度を調整できる材料であれば特に限定されず、例えば、エチレングリコール、グリセリン、ポリビニルアルコール、シリコーン油などを用いればよい。
【０１２０】
なお、多孔質シリカ中に上述した電子放出材を分散させたい場合は、例えば、上記原料と共に電子放出材を溶媒中に混合、分散させた後にゲル化させればよい。
【０１２１】
次に、湿潤ゲルを乾燥する乾燥工程について説明する。湿潤ゲルを乾燥する方法は特に限定されず、例えば、自然乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥などの通常乾燥法、あるいは、超臨界乾燥法、凍結乾燥法などを用いればよい。このとき、乾燥に伴うゲルの収縮を抑制する観点からは、超臨界乾燥法を用いることが好ましい。また、通常乾燥法を用いる場合においても、作製した湿潤ゲルの固相成分表面を撥水処理することによって、乾燥に伴うゲルの収縮を抑制することが可能である。
【０１２２】
超臨界乾燥法を用いる場合、超臨界乾燥に用いる溶媒には、湿潤ゲルの作製に用いた溶媒をそのまま用いてもよい。あるいは、湿潤ゲルに含まれる溶媒を、超臨界乾燥において取り扱いがより容易な溶媒に予め置換してもよい。置換する溶媒には、超臨界流体として一般的に用いられる溶媒、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、二酸化炭素、水などを用いればよい。またこれらの超臨界流体に溶出しやすいアセトン、酢酸イソアミル、ヘキサンなどに湿潤ゲルに含まれる溶媒を予め置換してもよい。
【０１２３】
超臨界乾燥は、例えば、オートクレーブなどの圧力容器中で行えばよく、超臨界流体としてメタノールを用いる場合、オートクレーブの内部をメタノールの臨界条件である圧力８．０９ＭＰａ、温度２３９．４℃以上に保ち、温度一定の状態で圧力を徐々に開放することによって湿潤ゲルの乾燥を行えばよい。二酸化炭素を用いる場合、同様に、圧力７．３８ＭＰａ、温度３１．１℃以上に保ち、温度一定の状態で圧力を徐々に開放することによって乾燥を行えばよい。水を用いる場合は、同様に、圧力２２．０４ＭＰａ、温度３７４．２℃以上に保ち、温度一定の状態で圧力を徐々に開放することによって乾燥を行えばよい。乾燥に必要な時間は、例えば、超臨界流体によって湿潤ゲル中の溶媒が１回以上入れ替わる時間以上とすればよい。
【０１２４】
湿潤ゲルを撥水処理した後に乾燥する方法では、撥水処理のための表面処理剤を湿潤ゲルの固相成分の表面に化学反応させた後に乾燥すればよい。湿潤ゲルの空孔内に発生する表面張力を撥水処理によって低減することができるため、乾燥時のゲルの収縮を抑制することができる。
【０１２５】
表面処理剤には、例えば、トリメチルクロルシラン、ジメチルジクロルシランなどのハロゲン系シラン処理剤、トリメチルメトシシラン、トリメチルエトキシシランなどのアルコキシ系シラン処理剤、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルシロキサンオリゴマーなどのシリコーン系シラン処理剤、ヘキサメチルジシラザンなどのアミン系シラン処理剤、プロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール系処理剤などを用いればよい。その他、上述した表面処理剤と同様の効果が得られる材料であれば、特に限定することなく用いることができる。
【０１２６】
なお、シリカ以外の無機材料や有機高分子材料などを用いても同様のナノ多孔質体を得ることができる。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）などのセラミクス形成に一般的に用いられる材料などを用いてもよい。また、上述した方法によってナノ多孔質体を形成した後に、気相合成法などの方法を用いることによって、電子放出材を多孔質体の内部に分散、形成することもできる。
【０１２７】
（実施例）
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。
【０１２８】
（実施例１）
実施例１では、転移体３としてＳｒＴｉＯ3を用い、図１９に示すような熱スイッチ素子１を作製した。電極２ａおよび電極２ｂにはＡｌを、絶縁体９にはＡｌ2Ｏ3を、電極１０にはＡｕを用いた。実施例１で用いた熱スイッチ素子１の作製方法を図２０Ａ〜図２０Ｅに示す。
【０１２９】
最初に、転移体３であるＳｒＴｉＯ3の結晶上にレジスト２０を堆積させた（図２０Ａ）。レジストにはポジ型のレジスト材料を用い、一般的なレジスト塗布方法を用いた。次に、スパッタリング法を用いてＡｌ層２１を全体に堆積させた（図２０Ｂ）。次に、リフトオフによって、レジスト２０と、Ａｌ層２１におけるレジスト２０上に位置する部分とを除去し、電極２ａおよび電極２ｂを形成した（図２０Ｃ）。次に、スパッタリング法を用いてＡｌ2Ｏ3からなる絶縁体９を形成した（図２０Ｄ）。最後に、スパッタリング法を用いてＡｕからなる電極１０を形成し（図２０Ｅ）、図１９に示す熱スイッチ素子１を作製した。電極２ａと電極２ｂとの間の距離ｄ（転移体３の一辺の長さに相当）は約５μｍ、絶縁体９の厚さは約１００ｎｍ、電極１０の厚さは約２μｍとした。また、図１９に示す矢印Ｅから見た転移体３のサイズは、１０μｍ×０．５μｍとした。
【０１３０】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極１０と転移体３との間に電圧を印加することによって転移体３に電気エネルギーを印加し、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の測定は、ハーマン法を用いて行った。ハーマン法とは、サンプルに電流を印加することによって生じたサンプルの両端の温度差から熱伝導の状態を評価する方法である。より具体的には、熱伝導度は、式ＳＴＩ／ΔＴによって求めることができる。Ｓは熱電能（Ｖ／Ｋ）、Ｔはサンプルの平均温度（Ｋ）、Ｉは電流値（Ａ）、ΔＴ（Ｋ）はサンプルの温度差である。なお、特に記載がないかぎり、熱伝導度の測定は室温で行った。以降の実施例においても同様である。
【０１３１】
その結果、電極１０と転移体３との間に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極１０と転移体３との間に電圧を印加していくと、数十Ｖ程度の電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、電圧の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。
【０１３２】
次に、図２１に示すような熱スイッチ素子１を作製し、同様に、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。図２１に示す熱スイッチ素子１の作製は、以下のように行った。電極２ａとしてＮｂを０．１原子％〜１０原子％の範囲でドープしたＳｒＴｉＯ3結晶（Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3）を用い、その上にスパッタリング法を用いてＳｒＴｉＯ3からなる転移体３を形成した。転移体３は、４５０℃〜７００℃程度の加熱雰囲気下で形成した。Ａｌからなる電極２ｂ、Ａｌ2Ｏ3からなる絶縁体９、Ａｕからなる電極１０は、図１９に示す熱スイッチ素子１と同様にして形成した。転移体３の厚さ（電極２ａおよび電極２ｂ間の距離に相当）は約１μｍとし、絶縁体９を介する電極１０と転移体３との間の距離は約１００ｎｍとした。
【０１３３】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極１０と転移体３との間に電圧を印加することによって転移体３に電気エネルギーを印加し、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。
【０１３４】
その結果、電極１０と転移体３との間に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極１０と転移体３との間に印加する電圧を増加させていくと、２．５Ｖの電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、電圧の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。
【０１３５】
なお、実施例１では転移体としてＳｒＴｉＯ3を用いたが、その他、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）などを転移体３に用いた場合にも同様の結果を得ることができた。また、ＧｄＢａＭｎ2Ｏ6などの式Ｘ1ＢａＸ22Ｏ6（Ｘ1は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｘ2は、Ｍｎおよび／またはＣｏである）で示される酸化物や、式（Ｖ1-yＸ3y）Ｏx（０≦ｙ≦０．５、１．５≦ｘ≦２．５、Ｘ3は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素である）で示される酸化物を用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１３６】
（実施例２）
実施例２では、転移体３としてＣｒを０．１原子％〜１０原子％の範囲でドーピングしたＳｒＴｉＯ3（Ｃｒ：ＳｉＴｉＯ3）を用い、図２２に示すような熱スイッチ素子１を作製した。
【０１３７】
最初に、基体２２としてＳｒＴｉＯ3を用い、スパッタリング法を用いて基体２２上にＳｒＲｕＯ3からなる電極２ａを形成した。次に、電極２ａ上にＣｒ：ＳｉＴｉＯ3からなる転移体３を形成し、さらにその上にＰｔからなる電極２ｂを形成した。転移体３および電極２ｂの形成にもスパッタリング法を用いた。転移体３および電極２ａは、４５０℃〜７００℃程度の加熱雰囲気下で形成した。なお、電極２ａ、転移体３および電極２ｂの厚さは、それぞれ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍおよび約２μｍとした。
【０１３８】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加することによって転移体３に電気エネルギーを印加し、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１３９】
その結果、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極２ａと電極２ｂとの間に印加する電圧を増加させていくと、０．５Ｖ程度の電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、電圧の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。また、熱スイッチ素子１の熱伝導性にヒステリシス性が見られ、熱伝導性が出現した後に電極２ａと電極２ｂとの間に印加する電圧を０にした場合でも、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導性はそのまま維持された。その後、最初に印加した電圧と逆方向の電圧を電極間に印加することにより、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導性は消失した。このことから、転移体３に用いる材料を選択することによって、不揮発性を有する熱スイッチ素子が実現可能であることがわかった。不揮発性の熱スイッチ素子を用いれば、より消費電力が削減された熱デバイスを構築することができる。
【０１４０】
なお、実施例２では転移体としてＣｒ：ＳｒＴｉＯ3を用いたが、その他、ＳｒＺｒＯ3、（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3、Ｙ（Ｔｉ、Ｖ）Ｏ3、ＳｒＴｉＯ3-d（０＜ｄ≦０．１）、（Ｐｒ1-xＣａx）ＭｎＯ3（０＜ｘ≦０．５）などを転移体３に用いた場合にも同様の結果を得ることができた。また、ＮｄＢａＭｎ2Ｏ6などの式Ｘ1ＢａＸ22Ｏ6（Ｘ1は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｘ2は、Ｍｎおよび／またはＣｏである）で示される酸化物や、式（Ｖ1-yＸ3y）Ｏx（０≦ｙ≦０．５、１．５≦ｘ≦２．５、Ｘ3は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素である）で示される酸化物を用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１４１】
（実施例３）
実施例３では、転移体３としてＳｒＴｉＯ3とＬａＳｒＭｎＯ3との積層体を用い、図２３に示すような熱スイッチ素子１を作製した。
【０１４２】
基体２２には上述のＮｂ：ＳｒＴｉＯ3を用い、基体２２上にレーザーアブレーション法を用いて以下に示す薄膜を堆積した。堆積は、４５０℃〜７００℃の加熱中において、１０ｍｍTorr〜５００ｍｍTorrの酸素雰囲気下にて行った。最初に、基体２２上にＳｒＴｉＯ3（厚さ５０ｎｍ）を配置し、さらにその上にＬａＳｒＭｎＯ3（厚さ１００ｎｍ）を配置して転移体３とした。次に、転移体３上にＳｒＲｕＯ3（厚さ１０ｎｍ）を配置した。次に、ＳｒＲｕＯ3上にスパッタリング法を用いてＰｔ（厚さ２４０ｎｍ）を配置した。スパッタリング時の温度は４００℃とした。次に、ＳｒＲｕＯ3とＰｔとの積層体を図２３に示すように微細加工し、電極２ａおよび電極２ｂを形成した。その後、絶縁体９としてＡｌ2Ｏ3を電極２ａおよび電極２ｂの表面からの厚さが８０ｎｍとなるように配置し、最後に、電極１０としてＡｕ（厚さ９００ｎｍ）を配置した。なお、電極１０は、転移体３に印加する磁界の効率を向上させるために、複数の電極（計１５本、図２３ではその一部のみを記載）に分割して配置した。
【０１４３】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極１０に電流１１を流すことによって転移体３に磁界１２を印加し、磁気エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。また、複数の電極１０にはすべて同方向に電流を流した。
【０１４４】
その結果、電極１０に電流を流さない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極１０に流す電流を増加させていくと、電極１０一本あたりの電流が２．５ｍＡ程度の電流を流した段階で熱伝導性が出現し、磁界の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。
【０１４５】
なお、実施例３では転移体として（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3を用いたが、その他、（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）などを転移体３に用いた場合にも同様の効果を得ることができた。ただし、Ｘ4は、Ｓｒ、ＣａおよびＢａから選ばれる少なくとも１種の元素である。また、ＳｍＢａＭｎ2Ｏ6などの式Ｘ1ＢａＸ22Ｏ6（Ｘ1は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｘ2は、Ｍｎおよび／またはＣｏである）で示される酸化物や、式（Ｖ1-yＸ3y）Ｏx（０≦ｙ≦０．５、１．５≦ｘ≦２．５、Ｘ3は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素である）で示される酸化物を用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１４６】
（実施例４）
実施例４では、図１４Ｂに示した構成を含む熱スイッチ素子を作製した。
【０１４７】
基体としてＭｇＯを用い、基体上にレーザーアブレーション法を用いて以下に示す薄膜を積層した。積層は、４５０℃〜７００℃の加熱中において、１０ｍｍTorr〜５００ｍｍTorrの酸素雰囲気下にて行った。最初に、基体上にＩＴＯ（Ｓｎ−ｄｏｐｅｄ  Ｉｎ2Ｏ3：厚さ５０ｎｍ)を積層し、さらにその上に（Ｐｒ，Ｃａ）ＭｎＯ3（厚さ１００ｎｍ）を積層して転移体３とした。次に、ＳｒＲｕＯ3上にスパッタリング法を用いてＰｔ（厚さ２４０ｎｍ）を積層した。スパッタリング時の温度は４００℃とした。次に、ＳｒＲｕＯ3とＰｔとの積層体を微細加工し、電極２ａおよび電極２ｂを形成して熱スイッチ素子を作製した。
【０１４８】
このようにして作製した熱スイッチ素子に対し、基体側からパルスレーザー光（波長５３２ｎｍ）を入射することによって転移体３に光エネルギーを印加し、光エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１４９】
その結果、転移体３に光を入射しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、転移体にパルスレーザー光を入射したところ、１００フェムト秒の極短パルスを約０．５Ｗ照射した段階で熱伝導性が出現し、光の入射によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。なお、パルスレーザー光の波長を、近赤外領域から可視光領域にかけて変化させた場合においても同様の結果を得ることができた。
【０１５０】
（実施例５）
実施例５では、図１５に示した構成を含む熱スイッチ素子を作製した。
【０１５１】
基体としてＬｉＴａＯ3を用い、基体上にマグネトロンスパッタ法を用いて以下に示す薄膜を成膜した。成膜は、４５０℃〜７００℃の加熱中において、１０ｍｍTorr〜５００ｍｍTorrの酸素−アルゴン混合雰囲気下（分圧比、Ａｒ：Ｏ2＝１：１）にて行った。最初に、基体上にＶ2Ｏ3（厚さ５０ｎｍ）を成膜して転移体３とした。次に、転移体３上にＰｔ（厚さ５０ｎｍ）を４００℃で成膜し、微細加工することによって電極２ａおよび電極２ｂを形成した。次に、電子ビーム蒸着法を用いてＮｉ−Ｃｒ合金（厚さ１００ｎｍ）を成膜して抵抗体１５とし、さらにＡｕ（３００ｎｍ）を成膜して電極１０を形成した。
【０１５２】
このようにして作製した熱スイッチ素子に対し、電極１０に電流を流すことによって抵抗体１５を発熱させ、発生した熱を転移体３に印加した。このようにして熱エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１５３】
その結果、電極１０に電流を流さない状態、即ち、抵抗体１５が発熱していない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極１０に流す電流を増加させていくと、約４ｍＡ程度の電流を流した段階で熱伝導性が出現し、熱の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。
【０１５４】
なお、実施例５では転移体としてＶ2Ｏ3を用いたが、その他、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）などを転移体３に用いた場合にも同様の結果を得ることができた。ただし、Ｘ4は、Ｓｒ、ＣａおよびＢａから選ばれる少なくとも１種の元素である。また、また、式Ｘ1ＢａＸ22Ｏ6（Ｘ1は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｘ2は、Ｍｎおよび／またはＣｏである）で示される酸化物や、式（Ｖ1-yＸ3y）Ｏx（０≦ｙ≦０．５、１．５≦ｘ≦２．５、Ｘ3は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素である）で示される酸化物を用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１５５】
（実施例６）
実施例６では、図２４に示すような熱スイッチ素子１を作製した。
【０１５６】
変位体１６として圧電材料の１種であるＬｉＴａＯ3（厚さ０．８μｍ）を用い、変位体１６上にスパッタリング法を用いて以下に示す薄膜を配置した。各層の配置は、２００℃〜５００℃の加熱中において、０．１ｍｍTorr〜１００ｍｍTorrのアルゴン−窒素混合雰囲気下（分圧比、Ａｒ：Ｎ2＝３：２）にて行った。最初に、変位体１６上にＬａＶＯ3(厚さ１００ｎｍ)を配置して転移体３とした。次に、転移体３上にＡｌ（厚さ１０００ｎｍ）を配置して電極２ａおよび電極２ｂとした。さらに、変位体１６における転移体３に接している面とは反対側の面に、Ａｌ（厚さ１０００ｎｍ）を配置して電極１０とした。電極１０は、フォトリソグラフィックの手法を用いて、図２４に示すような櫛形とした。櫛形の電極１０同士の間隔は２μｍとした。
【０１５７】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極１０を用いて変位体１６に電圧を印加することによって変位体１６に歪みを発生させ、発生した歪みに基づく圧力を転移体３に印加した。このようにして力学エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１５８】
その結果、転移体１６に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、転移体１６に印加する電圧を増加させていくと、０．５Ｖ程度の電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、力学エネルギーの１種である圧力の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。
【０１５９】
なお、実施例６では転移体としてＬａＶＯ3を用いたが、その他、（Ｙ，Ｘ4）ＭｎＯ3、（Ｌａ，Ｘ4）ＭｎＯ3、（Ｂｉ，Ｘ4）ＭｎＯ3、（Ｂｉ，Ｘ4）ＴｉＯ3、（Ｂｉ，Ｘ4）3Ｔｉ2Ｏ7、（Ｐｂ，Ｘ4）ＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3-d（０＜ｄ≦０．１）、（Ｐｒ1-xＣａx）ＭｎＯ３（０＜ｘ≦０．５）などを転移体３に用いた場合にも同様の結果を得ることができた。ただし、Ｘ4は、Ｓｒ、ＣａおよびＢａから選ばれる少なくとも１種の元素である。また、ＳｍＢａＭｎ2Ｏ6などの式Ｘ1ＢａＸ22Ｏ6（Ｘ1は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｘ2は、Ｍｎおよび／またはＣｏである）で示される酸化物や、式（Ｖ1-yＸ3y）Ｏx（０≦ｙ≦０．５、１．５≦ｘ≦２．５、Ｘ3は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素である）で示される酸化物を用いた場合にも同様の結果を得ることができた。また、実施例６では、変位体１６としてＬｉＴａＯ3を用いたが、その他、ＬｉＮｂＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3などを用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１６０】
（実施例７）
実施例７では、図２に示すような絶縁体４を含む熱スイッチ素子１を作製した。
【０１６１】
最初にＳｒＴｉＯ3からなる基体上に、ＳｒＲｕＯ3（厚さ２００ｎｍ）を配置して電極２ａを形成した。次に、電極２ａ上にＣｒを０．１原子％〜１０原子％の範囲でドープしたＳｒＴｉＯ3（Ｃｒ：ＳｒＴｉＯ3、厚さ３００ｎｍ）を配置して転移体３を形成した。電極２ａおよび転移体３の形成にはレーザーアブレーション法（基板温度４５０℃〜７００℃の範囲）を用いた。
【０１６２】
次に、転移体３上に、上述したゾル−ゲル法を用いて多孔質シリカ層（厚さ約０．１μｍ）を配置し絶縁体４とした。以下に多孔質シリカ層の具体的な作製方法を示す。
【０１６３】
まず、シリカ原料を含んだ溶液として、テトラメトキシシランとエタノールとアンモニア水溶液（０．１規定）とをモル比１：３：４の割合で混合した溶液を調製した。溶液には電子放出材として平均粒径１０ｎｍ程度のダイヤモンド粒子を分散させた。上記溶液を撹拌処理した後、塗布に適当な粘度となったところで、転移体３上に厚さが約０．１μｍとなるようにスピンコート塗布した。その後、乾燥により上記塗布したシリカゾルを重合、ゲル化させた。形成したシリカゲルを高分解能走査型電子顕微鏡により評価したところ、図３に示すようなＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合の三次元的なネットワークからなる湿潤ゲル構造が形成されていることが確認できた。また、電子放出材であるダイヤモンド粒子が均一に分散していることも確認できた。
【０１６４】
次に、上記のようにして作製した膨潤ゲルをエタノールで洗浄、溶媒置換した後に、二酸化炭素を用いた超臨界乾燥を行うことによって多孔質シリカ層を作製した。超臨界乾燥は、圧力１２ＭＰａ、温度５０℃の条件で４時間経過した後に、圧力を徐々に開放して大気圧とし、後に室温まで降温させて行った。次に、乾燥した試料を窒素雰囲気下、４００℃でアニール処理することによって、多孔質シリカ層への吸着物質を除去した。
【０１６５】
なお、作製した多孔質シリカ層の空孔率は、ブルナウアー・エメット・テラー法（ＢＥＴ法）を用いて評価したところ、約９２％であった。また、同様の手法により多孔質シリカ層の平均空孔径を見積もったところ、約２０ｎｍであった。
【０１６６】
このようにして作製した電極２ａ、転移体３および絶縁体４の積層体を水素雰囲気下、４００℃でアニール処理した。このようなアニール処理によって、多孔質シリカ層に含まれるダイヤモンド粒子の表面が水素化され、電子放出材としてダイヤモンド粒子をより活性化させることができる。
【０１６７】
最後に、スパッタリング法を用いて、絶縁体４上にＰｔ（厚さ２０００ｎｍ）を配置し、電極２ｂを形成した。
【０１６８】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加することによって転移体３に電気エネルギーを印加し、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１６９】
その結果、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極２ａと電極２ｂとの間に印加する電圧を増加させていくと、５Ｖ程度の電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、電圧の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。
【０１７０】
また、熱伝導性が出現した際の両電極間の放射電流密度を測定したところ数１０ｍＡ／ｃｍ2の値が得られた。さらに、熱スイッチ素子１の熱伝導性を維持したまま、電極２ａを３０℃に保ったＡｕと接触させた上で電極２ａの温度変化を測定したところ、電極２ａの温度が約３０度低下する、即ち約０℃となる現象が観察され、絶縁体４を介する熱スイッチ素子および冷却素子としての機能が確認された。
【０１７１】
さらに実施例７では、図４に示すような絶縁体４と電極８とを含む熱スイッチ素子１を作製し、同様の評価を行った。
【０１７２】
最初にＳｒＴｉＯ3からなる基体上に、ＳｒＲｕＯ3（厚さ２００ｎｍ）を配置して電極２ａを形成した。次に、電極２ａ上にＣｒを０．１原子％〜１０原子％の範囲でドープしたＳｒＴｉＯ3（Ｃｒ：ＳｒＴｉＯ3、厚さ３００ｎｍ）を配置して転移体３を形成した。次に、転移体３上に（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）ＣＯ3（厚さ５０ｎｍ）を配置して電極８を形成し、さらにその上に多孔質シリカ層（厚さ０．１μｍ）を上記と同様に配置して絶縁体４を形成した。電極２ａ、転移体３および電極８の形成にはレーザーアブレーション法（基板温度４５０℃〜７００℃の範囲）を用いた。最後に、スパッタリング法を用いて、絶縁体４上にＰｔ（厚さ２０００ｎｍ）を配置して電極２ｂとし、図４に示すような熱スイッチ素子１を作製した。
【０１７３】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加することによって転移体３に電気エネルギーを印加し、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１７４】
その結果、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極２ａと電極２ｂとの間に印加する電圧を増加させていくと、１．８Ｖ程度の電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、電圧の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。電極８を配置しない場合において５Ｖ程度の電圧を印加することが必要であったことから考えると、電極８を配置することによって２倍以上の効率向上がなされたことがわかった。
【０１７５】
また、熱スイッチ素子１の熱伝導性を維持したまま、電極２ａを３０℃に保ったＡｕと接触させた上で電極２ａの温度変化を測定したところ、電極２ａの温度が低下する現象が観察され、絶縁体４を介する熱スイッチ素子および冷却素子としての機能が確認された。
【０１７６】
なお、実施例７では厚さが約０．１μｍの多孔質シリカ層を絶縁体４として形成したが、絶縁体４の厚さが０．０５μｍ〜１０μｍ程度の範囲においても同様の結果を得ることができた。ただし、絶縁体４としての最適な厚さは、素子の構造、用いる材料などによって変化すると考えられるため、絶縁体４の厚さは上記範囲に限定されない。
【０１７７】
また、実施例７では電極８として（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）ＣＯ3を用いたが、その他、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）−Ｏ、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｓｂ、Ｃｓ−Ｔｅ、Ｃｓ−Ｆ、Ｒｂ−Ｏ、Ｒｂ−Ｃｓ−Ｏ、Ａｇ，−Ｃｓ−Ｏなどを用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１７８】
（実施例８）
実施例８では、転移体３としてＣａ3Ｃｏ4Ｏ9を用い、図２２に示すような熱スイッチ素子１を作製した。
【０１７９】
最初に、基体２２としてサファイア（Ａｌ2Ｏ3）を用い、スパッタリング法を用いて基体２２上にＮａＣｏ2Ｏ6からなる電極２ａを形成した。次に、電極２ａ上にＣａ3Ｃｏ4Ｏ9からなる転移体３を形成し、さらにその上にＮａＣｏ2Ｏ6からなる電極２ｂを形成した。転移体３および電極２ｂの形成にもスパッタリング法を用いた。転移体３および電極２ａは、４５０℃〜８５０℃程度の加熱雰囲気下で形成した。なお、電極２ａ、転移体３および電極２ｂの厚さは、それぞれ、約２００ｎｍ、約３００ｎｍおよび約２μｍとした。
【０１８０】
このようにして作製した熱スイッチ素子１に対し、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加することによって転移体３に電気エネルギーを印加し、エネルギーの印加前後における電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度の変化を調べた。熱伝導度の測定は実施例１と同様に行った。
【０１８１】
その結果、電極２ａと電極２ｂとの間に電圧を印加しない状態では、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導度が非常に小さく、測定できない程度であった。その後、電極２ａと電極２ｂとの間に印加する電圧を増加させていくと、０．５Ｖ程度の電圧を印加した段階で熱伝導性が出現し、電圧の印加によって熱の輸送が制御できる熱スイッチ素子として機能することが確認された。また、熱スイッチ素子１の熱伝導性にヒステリシス性が見られ、熱伝導性が出現した後に電極２ａと電極２ｂとの間に印加する電圧を０にした場合でも、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導性はそのまま維持された。その後、最初に印加した電圧と逆方向の電圧を電極間に印加することにより、電極２ａと電極２ｂとの間の熱伝導性は消失した。このことから、転移体３に用いる材料を選択することによって、不揮発性を有する熱スイッチ素子が実現可能であることがわかった。不揮発性の熱スイッチ素子を用いれば、より消費電力が削減された熱デバイスを構築することができる。
【０１８２】
なお、実施例８では転移体３としてＣａ3Ｃｏ4Ｏ9を用いたが、式ＣｕＸ5Ｏ2（Ｘ5は、Ａｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＦｅから選ばれる少なくとも１種の元素である）で示されるデラフォサイトなどを用いた場合にも同様の結果を得ることができた。
【０１８３】
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１８４】
以上説明したように、本発明によれば、従来とは全く異なる構成を有し、エネルギーを印加することによって熱の輸送を制御できる熱スイッチ素子と、その製造方法とを提供することができる。
【０１８５】
本発明の熱スイッチ素子は、情報端末などに使用されているＣＰＵなどの半導体チップの放熱部や、熱機関として代表的な製品である冷蔵・冷凍庫、エアコンディショナーなどの熱伝達部、熱配線における熱流制御部など、熱の輸送を行う部分であれば特に限定されずに用いることができる。その際、熱の輸送を制御する必要がある部分だけではなく、制御する必要がなく単に熱を輸送する部分にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８６】
【図１Ａ】本発明の熱スイッチ素子の一例を示す模式図である。
【図１Ｂ】本発明の熱スイッチ素子の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の熱スイッチ素子の別の一例を示す模式断面図である。
【図３】本発明の熱スイッチ素子に用いることができる絶縁体の構造の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の熱スイッチ素子のまた別の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の熱スイッチ素子のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図７Ａ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法の別の一例を示す模式図である。
【図７Ｂ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法の別の一例を示す模式図である。
【図８Ａ】本発明の熱スイッチ素子に用いることができる磁束ガイドの一例を示す模式図である。
【図８Ｂ】本発明の熱スイッチ素子に用いることができる磁束ガイドの一例を示す模式図である。
【図９】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のまた別の一例を示す模式図である。
【図１０Ａ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１０Ｂ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明の熱スイッチ素子に用いることができる磁束ガイドの別の一例を示す模式図である。
【図１２Ａ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１２Ｂ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１３】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１４Ａ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１４Ｂ】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１５】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１６】本発明の熱スイッチ素子にエネルギーを印加する方法のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１７】本発明の熱スイッチ素子の製造方法の一例を示す模式図である。
【図１８Ａ】本発明の熱スイッチ素子の製造方法の別の一例を示す模式工程図である。
【図１８Ｂ】本発明の熱スイッチ素子の製造方法の別の一例を示す模式工程図である。
【図１８Ｃ】本発明の熱スイッチ素子の製造方法の別の一例を示す模式工程図である。
【図１８Ｄ】本発明の熱スイッチ素子の製造方法の別の一例を示す模式工程図である。
【図１９】本発明の熱スイッチ素子のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図２０Ａ】図１９に示す熱スイッチ素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図２０Ｂ】図１９に示す熱スイッチ素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図２０Ｃ】図１９に示す熱スイッチ素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図２０Ｄ】図１９に示す熱スイッチ素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図２０Ｅ】図１９に示す熱スイッチ素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図２１】本発明の熱スイッチ素子のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図２２】本発明の熱スイッチ素子のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図２３】本発明の熱スイッチ素子のさらにまた別の一例と、上記一例におけるエネルギーの印加方法の一例を示す模式図である。
【図２４】本発明の熱スイッチ素子のさらにまた別の一例を示す模式図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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