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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023123350
(43)【公開日】2023-09-05
(54)【発明の名称】熱流スイッチング素子
(51)【国際特許分類】
H10N 15/00 20230101AFI20230829BHJP
【ＦＩ】
H10N15/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022211161
(22)【出願日】2022-12-28
(31)【優先権主張番号】P 2022026390
(32)【優先日】2022-02-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】592032636
【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園
(74)【代理人】
【識別番号】100120396
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 秀幸
(72)【発明者】
【氏名】藤田 利晃
(72)【発明者】
【氏名】松永 卓也
(72)【発明者】
【氏名】安達 真樹
(72)【発明者】
【氏名】竹内 恒博
(72)【発明者】
【氏名】丸地 智也
(57)【要約】
【課題】 熱伝導率の変化がより大きく、優れた熱応答性を有する熱流スイッチング素子を提供すること。
【解決手段】外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体４と、温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体５とを備え、相転移体が、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有する。また、第１電極２と、第２電極３とを備え、温度変化体が、第１電極と第２電極との間に設けられ第１電極と第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体である。
【選択図】図１
【解決手段】外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体４と、温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体５とを備え、相転移体が、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有する。また、第１電極２と、第２電極３とを備え、温度変化体が、第１電極と第２電極との間に設けられ第１電極と第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体と、
前記温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体とを備え、
前記相転移体が、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、前記相転移する際に前記相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体とを備え、
前記相転移体が、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、前記相転移する際に前記相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項2】
請求項１に記載の熱流スイッチング素子において、
前記相転移体が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記相転移体が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の熱流スイッチング素子において、
第１電極と、
第２電極とを備え、
前記温度変化体が、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ前記第１電極と前記第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
第１電極と、
第２電極とを備え、
前記温度変化体が、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ前記第１電極と前記第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項4】
請求項３に記載の熱流スイッチング素子において、
前記電気抵抗体が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記電気抵抗体が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項5】
請求項３に記載の熱流スイッチング素子において、
前記第１電極上に、前記電気抵抗体と前記相転移体とが積層された積層部が形成され、
前記積層部上に、前記第２電極が形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記第１電極上に、前記電気抵抗体と前記相転移体とが積層された積層部が形成され、
前記積層部上に、前記第２電極が形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項6】
請求項５に記載の熱流スイッチング素子において、
前記積層部が、少なくとも複数の前記電気抵抗体を備えると共に前記電気抵抗体と前記相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ前記電気抵抗体であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記積層部が、少なくとも複数の前記電気抵抗体を備えると共に前記電気抵抗体と前記相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ前記電気抵抗体であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項7】
請求項５に記載の熱流スイッチング素子において、
前記積層部が、少なくとも複数の前記相転移体を備えると共に前記電気抵抗体と前記相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ前記相転移体であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記積層部が、少なくとも複数の前記相転移体を備えると共に前記電気抵抗体と前記相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ前記相転移体であることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【請求項8】
請求項３に記載の熱流スイッチング素子において、
前記相転移体上に前記電気抵抗体が形成され、
前記電気抵抗体上に前記第１電極と前記第２電極とが互いに間隔を空けて形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
前記相転移体上に前記電気抵抗体が形成され、
前記電気抵抗体上に前記第１電極と前記第２電極とが互いに間隔を空けて形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バイアス電圧で熱伝導を能動的に制御可能な熱流スイッチング素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、熱伝導率を変化させる熱スイッチとして、例えば特許文献１には、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置された転移体とを含む、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、転移体へのエネルギーの印加によって、第１の電極と第２の電極との間の熱伝導度が変化する熱スイッチ素子が記載されている。
また、この引用文献１では、転移体への熱エネルギーを印加する方法として、転移体と電極との間に、電流が流れることで発熱する抵抗体を発熱体として配置することが記載されている。
また、この引用文献１では、転移体への熱エネルギーを印加する方法として、転移体と電極との間に、電流が流れることで発熱する抵抗体を発熱体として配置することが記載されている。
【0003】
さらに、引用文献１では、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（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。）と記載され、具体的に、多くの酸化物が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第３７０１３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の技術では、転移体の材料として、多くの酸化物が例示されているが、これら材料では熱伝導率の変化が小さいため、熱伝導率のより大きな変化量が得られる熱流スイッチング素子が要望されている。
すなわち、特許文献１に記載の技術では、転移体の材料として、多くの酸化物が例示されているが、これら材料では熱伝導率の変化が小さいため、熱伝導率のより大きな変化量が得られる熱流スイッチング素子が要望されている。
【0006】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱伝導率の変化がより大きく、優れた熱応答性を有する熱流スイッチング素子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】
【0007】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る熱流スイッチング素子は、外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体と、前記温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体とを備え、前記相転移体が、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、前記相転移する際に前記相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする。
【0008】
この熱流スイッチング素子では、外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体と、温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体とを備え、相転移体が、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有するので、温度変化体の温度変化によって、相転移体の熱伝導率を調整することができ、本素子を介して熱流を制御可能となる。
特に、熱伝導率が異なる相へ相転移する温度に制御することで、相転移体が相転移前後の相よりも高い熱伝導率となり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができる。すなわち、温度変化体を相転移体に対するヒーター又はクーラーとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体を用いることで、相転移体の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
なお、上記の熱伝導率とは、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率であって、いずれかの測定方法で測定した熱伝導率でピークを有すればよい。例えば、相転移体が薄膜である場合は、サーモリフレクタンス法で測定してもよく、同じ組成のバルク体を作成しそのバルク体をフラッシュ法で測定してもよい。また、相転移体がバルク体の場合は、そのバルク体をフラッシュ法で測定してもよい。更に、サーモリフレクタンス法は時間領域サーモリフレクタンス法でもよく、周波数領域サーモリフレクタンス法でもよい。また、フラッシュ法は、レーザーフラッシュ法でもよく、キセノンランプフラッシュ法でもよい。
なお、相転移体の厚みによって、いずれの測定方法が適しているかは異なるが、その境界厚みはおおよそ１０μｍから１００μｍ程度である。また、その境界厚みは相転移体の組成によって異なる。
ここで、本願における「熱伝導率のピークを有する」とは、相転移する際の熱伝導率が、相転移の前後のいずれの相の近傍温度（相転移温度に対しておおよそ－２０℃～－１０℃と、＋１０℃～＋２０℃との平均）での熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することを示す。
特に、熱伝導率が異なる相へ相転移する温度に制御することで、相転移体が相転移前後の相よりも高い熱伝導率となり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができる。すなわち、温度変化体を相転移体に対するヒーター又はクーラーとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体を用いることで、相転移体の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
なお、上記の熱伝導率とは、サーモリフレクタンス法およびフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率であって、いずれかの測定方法で測定した熱伝導率でピークを有すればよい。例えば、相転移体が薄膜である場合は、サーモリフレクタンス法で測定してもよく、同じ組成のバルク体を作成しそのバルク体をフラッシュ法で測定してもよい。また、相転移体がバルク体の場合は、そのバルク体をフラッシュ法で測定してもよい。更に、サーモリフレクタンス法は時間領域サーモリフレクタンス法でもよく、周波数領域サーモリフレクタンス法でもよい。また、フラッシュ法は、レーザーフラッシュ法でもよく、キセノンランプフラッシュ法でもよい。
なお、相転移体の厚みによって、いずれの測定方法が適しているかは異なるが、その境界厚みはおおよそ１０μｍから１００μｍ程度である。また、その境界厚みは相転移体の組成によって異なる。
ここで、本願における「熱伝導率のピークを有する」とは、相転移する際の熱伝導率が、相転移の前後のいずれの相の近傍温度（相転移温度に対しておおよそ－２０℃～－１０℃と、＋１０℃～＋２０℃との平均）での熱伝導率よりも高い熱伝導率を有することを示す。
【0009】
第２の発明に係る熱流スイッチング素子は、第１の発明において、前記相転移体が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）であることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、相転移体が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）であるので、化学式Ａ２＋δＭが、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する材料であり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができる。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、相転移体が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）であるので、化学式Ａ２＋δＭが、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する材料であり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができる。
【0010】
第３の発明に係る熱流スイッチング素子は、第１又は第２の発明において、第１電極と、第２電極とを備え、前記温度変化体が、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ前記第１電極と前記第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体であることを特徴とする。
この熱流スイッチング素子では、温度変化体が、第１電極と第２電極との間に設けられ第１電極と第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体であるので、印加電圧に応じて生じた電流により発熱した電気抵抗体の熱によって、相転移体の熱伝導率を調整することができる。
特に、電圧印加によるジュール発熱によって電気抵抗体を相転移体に対するヒーターとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体を用いることで、相転移体の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
この熱流スイッチング素子では、温度変化体が、第１電極と第２電極との間に設けられ第１電極と第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体であるので、印加電圧に応じて生じた電流により発熱した電気抵抗体の熱によって、相転移体の熱伝導率を調整することができる。
特に、電圧印加によるジュール発熱によって電気抵抗体を相転移体に対するヒーターとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体を用いることで、相転移体の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
【0011】
第４の発明に係る熱流スイッチング素子は、第３の発明において、前記電気抵抗体が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜であることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、電気抵抗体が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素（シリカ、酸化シリコン、Ｓｉ－Ｏ）膜であるので、酸化ケイ素膜が、電圧印加しても電流が全く流れない電気的絶縁膜でなく、電圧印加の際にリーク電流でジュール発熱する高電気抵抗膜であり、高電気抵抗体材料として容易に成膜することができる。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、電気抵抗体が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素（シリカ、酸化シリコン、Ｓｉ－Ｏ）膜であるので、酸化ケイ素膜が、電圧印加しても電流が全く流れない電気的絶縁膜でなく、電圧印加の際にリーク電流でジュール発熱する高電気抵抗膜であり、高電気抵抗体材料として容易に成膜することができる。
【0012】
第５の発明に係る熱流スイッチング素子は、第４又は第５の発明において、前記第１電極上に、前記電気抵抗体と前記相転移体とが積層された積層部が形成され、前記積層部上に、前記第２電極が形成されていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、第１電極上に、電気抵抗体と相転移体とが積層された積層部が形成され、積層部上に、第２電極が形成されているので、第１電極と第２電極とに挟まれた積層部に電圧を印加して電流を流すことで、電気抵抗体を発熱させ、電気抵抗体に積層されている相転移体の熱伝導率を効率的に変化させることができる。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、第１電極上に、電気抵抗体と相転移体とが積層された積層部が形成され、積層部上に、第２電極が形成されているので、第１電極と第２電極とに挟まれた積層部に電圧を印加して電流を流すことで、電気抵抗体を発熱させ、電気抵抗体に積層されている相転移体の熱伝導率を効率的に変化させることができる。
【0013】
第６の発明に係る熱流スイッチング素子は、第５の発明において、前記積層部が、少なくとも複数の前記電気抵抗体を備えると共に前記電気抵抗体と前記相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ前記電気抵抗体であることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、積層部が、少なくとも複数の電気抵抗体を備えると共に電気抵抗体と相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ電気抵抗体であるので、複数の電気抵抗体が同時に発熱すると共にこれらの熱が上下から素早く相転移体に伝わることで、高い熱応答性が得られる。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、積層部が、少なくとも複数の電気抵抗体を備えると共に電気抵抗体と相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ電気抵抗体であるので、複数の電気抵抗体が同時に発熱すると共にこれらの熱が上下から素早く相転移体に伝わることで、高い熱応答性が得られる。
【0014】
第７の発明に係る熱流スイッチング素子は、第５の発明において、前記積層部が、少なくとも複数の前記相転移体を備えると共に前記電気抵抗体と前記相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ前記相転移体であることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、積層部が、少なくとも複数の相転移体を備えると共に抵抗体と相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ相転移体であるので、複数の相転移体に電気抵抗体からの熱が素早く伝わることで、高い熱応答性が得られる。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、積層部が、少なくとも複数の相転移体を備えると共に抵抗体と相転移体とが交互に積層され、上下面がそれぞれ相転移体であるので、複数の相転移体に電気抵抗体からの熱が素早く伝わることで、高い熱応答性が得られる。
【0015】
第８の発明に係る熱流スイッチング素子は、第３又は第４の発明において、前記相転移体上に前記電気抵抗体が形成され、前記電気抵抗体上に前記第１電極と前記第２電極とが互いに間隔を空けて形成されていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、相転移体上に電気抵抗体が形成され、電気抵抗体上に第１電極と第２電極とが互いに間隔を空けて形成されているので、第１電極と第２電極とが電気抵抗体上の同一面内に配置されることで、より薄い素子を構成することができる。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、相転移体上に電気抵抗体が形成され、電気抵抗体上に第１電極と第２電極とが互いに間隔を空けて形成されているので、第１電極と第２電極とが電気抵抗体上の同一面内に配置されることで、より薄い素子を構成することができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る熱流スイッチング素子によれば、外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体と、温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体とを備え、相転移体が、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有するので、熱伝導率が異なる相へ相転移する温度に制御することで、相転移体が相転移前後の相よりも高い熱伝導率となり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができき、相転移体の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
すなわち、本発明に係る熱流スイッチング素子によれば、外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体と、温度変化体に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体とを備え、相転移体が、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有するので、熱伝導率が異なる相へ相転移する温度に制御することで、相転移体が相転移前後の相よりも高い熱伝導率となり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができき、相転移体の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明に係る熱流スイッチング素子の第１実施形態を示す断面図である。
【図2】第１実施形態において、レーザーフラッシュ法にて測定された相転移体の材料「Ａｇ２＋δＳｘＳｅ１－ｘ」の温度に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。
【図3】第１実施形態において、レーザーフラッシュ法にて測定された相転移体の材料「Ａｇ２＋δＳｘＴｅ１－ｘ」の温度に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。
【図4】第１実施形態において、レーザーフラッシュ法にて測定された相転移体の材料「Ａｇ２＋δＳｅｘＴｅ１－ｘ」の温度に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。
【図5】第１実施形態において、レーザーフラッシュ法にて測定された相転移体の材料「（ＡｇｙＣｕ１－ｙ）２＋δＳｘＳｅ１－ｘ」の温度に対する熱伝導率の変化を示すグラフである。
【図6】本発明に係る熱流スイッチング素子の第２実施形態を示す断面図である。
【図7】本発明に係る熱流スイッチング素子の第３実施形態を示す断面図である。
【図8】本発明に係る熱流スイッチング素子の第４実施形態を示す断面図である。
【図9】本発明に係る実施例において、実施例１（ａ），実施例２（ｂ）及び実施例３（ｃ）のＸ線回折実験の結果を示すグラフである。
【図10】本発明に係る実施例１において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による熱浸透率測定時の表面温度の時間依存性を示すグラフである。
【図11】本発明に係る実施例２において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率の経過時間依存性を示すグラフである。
【図12】本発明に係る実施例２において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱伝導率変化率の経過時間依存性を示すグラフである。
【図13】本発明に係る実施例２において、０Ｖ，４０Ｖ，５０Ｖ印加した際の、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による熱浸透率測定時の表面温度の時間依存性を示すグラフである。
【図14】本発明に係る実施例３において、０Ｖ，４０Ｖ，５２Ｖ印加した際の、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による熱浸透率測定時の表面温度の時間依存性を示すグラフである。
【図15】本発明に係る実施例４において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率（ａ），熱伝導率の変化率（ｂ），素子の温度（ｃ），リーク電流量（ｄ），印加電圧量（ｅ）の経過時間依存性を示すグラフである。
【図16】本発明に係る実施例４において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率と素子の温度との関係を示すグラフである。
【図17】本発明に係る実施例４において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱伝導率変化率と素子の温度との関係を示すグラフである。
【図18】本発明に係る実施例において、実施例５（ａ）及び実施例６（ｂ）のＸ線回折実験の結果を示すグラフである。
【図19】本発明に係る実施例６において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による熱浸透率測定時の表面温度の時間依存性を示すグラフである。
【図20】本発明に係る実施例５において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率（ａ），熱伝導率の変化率（ｂ），素子の温度（ｃ），リーク電流量（ｄ），印加電圧量（ｅ）の経過時間依存性を示すグラフである。
【図21】本発明に係る実施例６において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率（ａ），熱伝導率の変化率（ｂ），素子の温度（ｃ），リーク電流量（ｄ），印加電圧量（ｅ）の経過時間依存性を示すグラフである。
【図22】本発明に係る実施例５において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率と素子の温度との関係を示すグラフである。
【図23】本発明に係る実施例５において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱伝導率変化率と素子の温度との関係を示すグラフである。
【図24】本発明に係る実施例６において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱浸透率と素子の温度との関係を示すグラフである。
【図25】本発明に係る実施例６において、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）による測定された熱伝導率変化率と素子の温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明に係る熱流スイッチング素子における第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
【0019】
本実施形態の熱流スイッチング素子１は、図１に示すように、外部エネルギーにより温度変化する材料又は素子を含む温度変化体４と、温度変化体４に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体５とを備えている。
上記相転移体５は、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有している材料で形成されている。
また、本実施形態の熱流スイッチング素子１は、第１電極２と、第２電極３とを備え、温度変化体４が、第１電極２と第２電極３との間に設けられ第１電極２と第２電極３との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体である。
上記相転移体５は、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有している材料で形成されている。
また、本実施形態の熱流スイッチング素子１は、第１電極２と、第２電極３とを備え、温度変化体４が、第１電極２と第２電極３との間に設けられ第１電極２と第２電極３との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体である。
【0020】
相転移体５は、相転移体が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）である。例えば、相転移体５は、化学式Ａｇ２＋δＭ（但し、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）である。
なお、このＡ２＋δＭは、温度変化により相転移する組成であれば、δの範囲が－０．５≦δ≦＋０．５で、２：１のＡ元素：Ｍ元素の元素比にずれがあってもよい。具体的には、Ａ元素がＡｇのみで構成されるＡｇ２＋δＭは、δが－０．０５～＋０．０２の範囲にて、相転移を示すことが知られている。
上記温度変化体４は、例えば微小電流が流れる高電気抵抗体であって、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜（シリカ、酸化シリコン、Ｓｉ－Ｏ）である。酸化ケイ素は、ケイ素の酸化物である。なお、微小電流が流れる高電気抵抗体であれば、温度変化体４として、他に酸化ハフニウム（ハフニア）膜、窒化ケイ素膜等を採用しても構わない。
なお、このＡ２＋δＭは、温度変化により相転移する組成であれば、δの範囲が－０．５≦δ≦＋０．５で、２：１のＡ元素：Ｍ元素の元素比にずれがあってもよい。具体的には、Ａ元素がＡｇのみで構成されるＡｇ２＋δＭは、δが－０．０５～＋０．０２の範囲にて、相転移を示すことが知られている。
上記温度変化体４は、例えば微小電流が流れる高電気抵抗体であって、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜（シリカ、酸化シリコン、Ｓｉ－Ｏ）である。酸化ケイ素は、ケイ素の酸化物である。なお、微小電流が流れる高電気抵抗体であれば、温度変化体４として、他に酸化ハフニウム（ハフニア）膜、窒化ケイ素膜等を採用しても構わない。
【0021】
温度変化体（電気抵抗体）４の電気抵抗値は、相転移体５の電気抵抗値よりも１００倍大きいことが好ましい。すなわち、「ジュール発熱量＝Ｉ（電流値）２×Ｒ（電気抵抗値）×通電時間」であり、高い電気抵抗値をもつ温度変化体４は、単位時間あたりの消費電力（＝Ｉ（電流値）２×Ｒ（電気抵抗値）＝Ｉ（電流値）×Ｖ（電圧値））が大きくなるため、発熱の効果がより明確に得られる。
また、これらの温度変化体４の膜厚は、薄いほど熱抵抗値が下がるため、温度変化体４の微小なジュール発熱効果により、効率よく相転移体５に熱を伝えることができる。すなわち、印加された電圧に応じて熱伝導のピークを示す相転移温度近傍の温度へ温度調整させることが容易となり、相転移体５の熱伝導変化による熱流変化の効果をより増大させることができる。
また、これらの温度変化体４の膜厚は、薄いほど熱抵抗値が下がるため、温度変化体４の微小なジュール発熱効果により、効率よく相転移体５に熱を伝えることができる。すなわち、印加された電圧に応じて熱伝導のピークを示す相転移温度近傍の温度へ温度調整させることが容易となり、相転移体５の熱伝導変化による熱流変化の効果をより増大させることができる。
【0022】
本実施形態では、第１電極２上に、層状の温度変化体４と層状の相転移体５とが積層された積層部６が形成され、積層部６上に、第２電極３が形成されている。
上記第１電極２は、例えばｐ型のシリコン基板等の導電性基板等が採用される。
また、上記第２電極３は、例えばＭｏ，Ａｌ等の金属で形成される。
上記第１電極２及び第２電極３には、外部電源Ｖが接続され、電圧が印加される。
上記第１電極２は、例えばｐ型のシリコン基板等の導電性基板等が採用される。
また、上記第２電極３は、例えばＭｏ，Ａｌ等の金属で形成される。
上記第１電極２及び第２電極３には、外部電源Ｖが接続され、電圧が印加される。
【0023】
上記温度変化体４及び相転移体５の成膜方法は、スパッタリング法、分子線蒸着法（ＭＢＤ法）、原子層堆積法（ＡＬＤ法）、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、化学溶液堆積法（ＣＳＤ法）、ゾルゲル法等、各種成膜手法が採用される。なお、半導体等の結晶成長に使われている手法の一つとして知られている分子線エピタキシー法(ＭＢＥ法)は、分子線蒸着法(ＭＢＤ法)の技術に含まれる。
上記相転移体５としては、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）が採用されるが、組成に応じて相転移する温度が異なると共にその前後の相の熱伝導率も異なる。この化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）について、高い結晶性の薄膜を得るには、主に、分子線蒸着法(ＭＢＤ法)が採用される。
上記相転移体５としては、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）が採用されるが、組成に応じて相転移する温度が異なると共にその前後の相の熱伝導率も異なる。この化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）について、高い結晶性の薄膜を得るには、主に、分子線蒸着法(ＭＢＤ法)が採用される。
【0024】
図２、３、４，５に、Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）の熱伝導率の温度依存性を示す。レーザーフラッシュ法により、各温度にて、Ａ２＋δＭのバルク体の熱伝導率を評価した。
図２には、レーザーフラッシュ法により測定された「Ａｇ２＋δＳｘＳｅ１－ｘ」の熱伝導率の温度依存性が示されている。具体的な組成として、「Ａｇ２Ｓ０．２Ｓｅ０．８」「Ａｇ２Ｓ０．４Ｓｅ０．６」「Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５」「Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４」「Ａｇ２Ｓ０．８Ｓｅ０．２」「Ａｇ２Ｓ」の熱伝導率の温度特性が例示されている。図２から分かるように、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が高くなっている。
図２には、レーザーフラッシュ法により測定された「Ａｇ２＋δＳｘＳｅ１－ｘ」の熱伝導率の温度依存性が示されている。具体的な組成として、「Ａｇ２Ｓ０．２Ｓｅ０．８」「Ａｇ２Ｓ０．４Ｓｅ０．６」「Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５」「Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４」「Ａｇ２Ｓ０．８Ｓｅ０．２」「Ａｇ２Ｓ」の熱伝導率の温度特性が例示されている。図２から分かるように、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が高くなっている。
【0025】
図３には、レーザーフラッシュ法により測定された「Ａｇ２＋δＳｘＴｅ１－ｘ」の熱伝導率の温度依存性が示されている。具体的な組成として、「Ａｇ２Ｔｅ」「Ａｇ２Ｓ０．０５Ｔｅ０．９５」「Ａｇ２Ｓ０．１Ｔｅ０．９」「Ａｇ２Ｓ０．１５Ｔｅ０．８５」の熱伝導率の温度特性が例示されている。図３から分かるように、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が低くなっている。
【0026】
図４には、レーザーフラッシュ法により測定された「Ａｇ２＋δＳｅｘＴｅ１－ｘ」の熱伝導率の温度依存性が示されている。具体的な組成として、「Ａｇ２Ｓｅ」「Ａｇ２Ｓｅ０．８Ｔｅ０．２」「Ａｇ２Ｓｅ０．５Ｔｅ０．５」「Ａｇ２Ｓｅ０．４Ｔｅ０．６」「Ａｇ２Ｓｅ０．２Ｔｅ０．８」の熱伝導率の温度特性が例示されている。図４から分かるように、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が低くなっている。
【0027】
図５には、レーザーフラッシュ法により測定された「（ＡｇｙＣｕ１－ｙ）２＋δＳｘＳｅ１－ｘ」の熱伝導率の温度依存性が示されている。具体的な組成として、「ＡｇＣｕＳｅ」「ＡｇＣｕＳ０．１Ｓｅ０．８」「Ａｇ１．０５ＣｕＳ０．１Ｓｅ０．９」「Ａｇ１．０８ＣｕＳ０．１Ｓｅ０．９」「Ａｇ１．１３ＣｕＳ０．１Ｓｅ０．９」「Ｃｕ２Ｓｅ」の熱伝導率の温度特性が例示されている。図５から分かるように、Ｃｕ２Ｓｅ以外の組成のデータについては、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が低くなっている。Ａｇを含まない、Ｃｕ２Ｓｅについては、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が高くなっている。
【0028】
これらの相転移体５の材料は、いずれも相転移する際の温度で、相転移前後の相よりも高い熱伝導率を示している。すなわち、相転移する際の温度で、熱伝導率の急激な上昇によるピークが観察される。ここで、「熱伝導率のピーク」とは、相転移する際の熱伝導率が、相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有することを示す。
なお、図２～図５に示すレーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率の温度依存性のデータおいて、相転移温度近傍の温度域で熱伝導率のピークが検出されていないものがあるが、レーザーフラッシュ法を用いた熱伝導率評価装置の測定精度に由来するものであり、実際には熱伝導率が急激に高くなるピークが存在する。
なお、レーザーフラッシュ法では、熱拡散率と比熱とを個別に測定し、熱拡散率と比熱と密度との測定結果を用いて、熱伝導率を算出する。熱拡散率と比熱との測定はともに、試料の両端に温度勾配（温度差）をつけて計測する手法をとられる。このとき、測定時の温度差が熱拡散率もしくは比熱のピークの温度幅よりも大きい場合、相転移体の熱拡散率もしくは比熱のピークを観測することが困難となる。以上の理由より、レーザーフラッシュ法にて、相転移体の熱伝導率のピークを観測することが困難となる場合があるので、測定時の温度差が熱拡散率もしくは比熱のピークの温度幅よりも小さいことが望ましい。
すなわち、これらの相転移体５の材料は、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有する。
なお、図２～図５に示すレーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率の温度依存性のデータおいて、相転移温度近傍の温度域で熱伝導率のピークが検出されていないものがあるが、レーザーフラッシュ法を用いた熱伝導率評価装置の測定精度に由来するものであり、実際には熱伝導率が急激に高くなるピークが存在する。
なお、レーザーフラッシュ法では、熱拡散率と比熱とを個別に測定し、熱拡散率と比熱と密度との測定結果を用いて、熱伝導率を算出する。熱拡散率と比熱との測定はともに、試料の両端に温度勾配（温度差）をつけて計測する手法をとられる。このとき、測定時の温度差が熱拡散率もしくは比熱のピークの温度幅よりも大きい場合、相転移体の熱拡散率もしくは比熱のピークを観測することが困難となる。以上の理由より、レーザーフラッシュ法にて、相転移体の熱伝導率のピークを観測することが困難となる場合があるので、測定時の温度差が熱拡散率もしくは比熱のピークの温度幅よりも小さいことが望ましい。
すなわち、これらの相転移体５の材料は、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有する。
【0029】
このように本実施形態の熱流スイッチング素子１では、外部エネルギーにより発熱若しくは冷却する材料又は素子を含む温度変化体４と、温度変化体４に接触して設けられ、温度変化によって相転移する相転移体５とを備え、相転移体５が、サーモリフレクタンス法およびレーザーフラッシュ法の少なくとも一方で測定した熱伝導率において、相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有するので、温度変化体４の温度変化によって、相転移体５の熱伝導率を調整することができ、本素子を介して熱流を制御可能となる。
【0030】
特に、熱伝導率が異なる相へ相転移する温度に制御することで、相転移体５が相転移前後の相よりも高い熱伝導率となり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができる。すなわち、温度変化体４を相転移体５に対するヒーター又はクーラーとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体５を用いることで、相転移体５の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
【0031】
本実施形態では、温度変化体４が、第１電極２と第２電極３との間に設けられ第１電極２と第２電極３との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体であるので、印加電圧に応じて生じた電流により発熱した電気抵抗体（温度変化体４）の熱によって、相転移体５の熱伝導率を調整することができる。
特に、電圧印加によるジュール発熱によって電気抵抗体（温度変化体４）を相転移体５に対するヒーターとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体５を用いることで、相転移体５の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
特に、電圧印加によるジュール発熱によって電気抵抗体（温度変化体４）を相転移体５に対するヒーターとして機能させると共に、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する相転移体５を用いることで、相転移体５の熱伝導率を大きく変化させて熱流を制御することができる。
【0032】
また、相転移体５が、化学式Ａ２＋δＭ（但し、ＡがＡｇ，Ｃｕの少なくとも１種であり、Ｍが、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１種である。）であるので、化学式Ａ２＋δＭが、熱伝導率が異なる相へ相転移する際に熱伝導率のピークを有する材料であり、熱伝導率の大きな変化量を得ることができる。
また、温度変化体４が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜であるので、酸化ケイ素膜が、電圧印加しても電流が全く流れない電気的絶縁膜でなく、電圧印加の際にリーク電流でジュール発熱する高電気抵抗膜であり、高抵抗材料として容易に成膜することができる。
また、温度変化体４が、電流によりジュール発熱する酸化ケイ素膜であるので、酸化ケイ素膜が、電圧印加しても電流が全く流れない電気的絶縁膜でなく、電圧印加の際にリーク電流でジュール発熱する高電気抵抗膜であり、高抵抗材料として容易に成膜することができる。
【0033】
さらに、第１電極２上に、温度変化体４と相転移体５とが積層された積層部６が形成され、積層部６上に、第２電極３が形成されているので、第１電極２と第２電極３とに挟まれた積層部６に電圧を印加して電流を流すことで、温度変化体４を発熱させ、温度変化体４に積層されている相転移体５の熱伝導率を効率的に変化させることができる。
【0034】
次に、本発明に係る熱流スイッチング素子の第２～第４実施形態について、図６から図８を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0035】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、第１電極２上に温度変化体４と相転移体５とを１層ずつ積層した積層部６を採用しているのに対し、第２実施形態の熱流スイッチング素子２１では、図６に示すように、積層部２６が、少なくとも複数の温度変化体（電気抵抗体）４を備えると共に温度変化体４と相転移体５とが交互に積層され、上下面がそれぞれ温度変化体４である点である。
【0036】
すなわち、第２実施形態では、第１電極２上に、温度変化体４，相転移体５，温度変化体４の順で積層された積層部２６が形成されている。
このように第２実施形態の熱流スイッチング素子２１では、積層部６が、少なくとも複数の温度変化体４を備えると共に温度変化体４と相転移体５とが交互に積層され、上下面がそれぞれ温度変化体４であるので、複数の温度変化体４が同時に発熱すると共にこれらの熱が上下から素早く相転移体５に伝わることで、高い熱応答性が得られる。
このように第２実施形態の熱流スイッチング素子２１では、積層部６が、少なくとも複数の温度変化体４を備えると共に温度変化体４と相転移体５とが交互に積層され、上下面がそれぞれ温度変化体４であるので、複数の温度変化体４が同時に発熱すると共にこれらの熱が上下から素早く相転移体５に伝わることで、高い熱応答性が得られる。
【0037】
次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、積層部２６の上下面がそれぞれ温度変化体４であるのに対し、第３実施形態の熱流スイッチング素子３１では、図７に示すように、積層部３６が、少なくとも複数の相転移体５を備えると共に温度変化体（電気抵抗体）４と相転移体５とが交互に積層され、上下面がそれぞれ相転移体５である点である。
【0038】
すなわち、第３実施形態では、第１電極２上に、相転移体５，温度変化体４，相転移体５，の順で積層された積層部３６が形成されている。
このように第３実施形態の熱流スイッチング素子３１では、積層部３６が、少なくとも複数の相転移体５を備えると共に温度変化体４と相転移体５とが交互に積層され、上下面がそれぞれ相転移体５であるので、複数の相転移体５に電気抵抗体である温度変化体４からの熱が素早く伝わることで、高い熱応答性が得られる。
このように第３実施形態の熱流スイッチング素子３１では、積層部３６が、少なくとも複数の相転移体５を備えると共に温度変化体４と相転移体５とが交互に積層され、上下面がそれぞれ相転移体５であるので、複数の相転移体５に電気抵抗体である温度変化体４からの熱が素早く伝わることで、高い熱応答性が得られる。
【0039】
次に、第４実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、積層部６の下面に第１電極２が形成されていると共に積層部６の上面に第２電極３が形成されているのに対し、第４実施形態の熱流スイッチング素子４１では、図８に示すように、相転移体５上に温度変化体（電気抵抗体）４が形成され、温度変化体４上に第１電極２と第２電極３とが互いに間隔を空けて形成されている点である。
【0040】
すなわち、第４実施形態では、層状の相転移体５上に層状の温度変化体４が積層され、温度変化体４上面に第１電極２と第２電極３とがＭｏ等でパターン形成されている。
なお、絶縁性基板の上に熱流スイッチング素子４１を作製してもよい。
このように第４実施形態の熱流スイッチング素子４１では、相転移体５上に温度変化体４が形成され、温度変化体４上に第１電極２と第２電極３とが互いに間隔を空けて形成されているので、第１電極２と第２電極３とが温度変化体４上の同一面内に配置されることで、より薄い素子を構成することができる。
なお、絶縁性基板の上に熱流スイッチング素子４１を作製してもよい。
このように第４実施形態の熱流スイッチング素子４１では、相転移体５上に温度変化体４が形成され、温度変化体４上に第１電極２と第２電極３とが互いに間隔を空けて形成されているので、第１電極２と第２電極３とが温度変化体４上の同一面内に配置されることで、より薄い素子を構成することができる。
【実施例0041】
本発明の熱流スイッチング素子の実施例について、その評価方法を以下に示す。
本実施例では、バルクの熱伝導率を測定する際は、レーザーフラッシュ法を用い、薄膜の熱伝導率を測定する際は、パルス光加熱サーモリフレクタンス法を採用する。パルス光加熱サーモリフレクタンス法には、周波数領域サーモリフレクタンス法（ＦＤＴＲ法、Frequency-Domain Thermoreflectance）と時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法、Time-Domain Thermoreflectance）とがあるが、本実施例では熱伝導率の測定方法として、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）を採用している。
レーザーフラッシュ法においては、熱拡散率と比熱を測定し、熱伝導率を算出する。時間領域サーモリフレクタンス法においては、表面加熱／測温（ＦＦ）方式にて熱浸透率を測定する。
レーザーフラッシュ法において、バルクの熱伝導率の温度依存性の実験した際、相転移温度近傍にて、個別に比熱のピークもしくは熱拡散率のピークが観測された際も、熱伝導率のピークが観測されたとみなす。また、時間領域サーモリフレクタンス法において、薄膜の熱伝導率の温度依存性の実験した際、熱浸透率のピークが観測された際も、熱伝導率のピークが観測されたとみなす。すなわち、本発明における、「熱伝導率のピークを有する」とは、比熱，熱拡散率，熱浸透率のいずれかのピークが観測された際も、一義的に熱伝導率のピークが観測されたとみなす。
なお、熱伝導率のピークを有する材料は、相転移の際、比熱のピークを有する材料が好ましく、特に、相転移時のエントロピー変化が大きい相変態を示す材料が好ましい。
熱伝導率の測定方法は、例えば基板上に形成された薄膜試料をパルスレーザーで瞬間的に加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度あるいは表面温度の上昇速度を測定することにより、薄膜の膜厚方向の熱拡散率又は熱浸透率を求める方法であるＴＤＴＲ法により行う。なお、上記ＴＤＴＲ法のうち、熱拡散率を直接測定する方法（裏面加熱／表面測温（ＲＦ）方式）では、パルスレーザーが透過可能な透明基板を用いる必要があるため、透明基板でない場合は、熱浸透率を測定し、熱伝導率に換算する方式である表面加熱／測温（ＦＦ）方式で熱伝導率を測定する。なお、この測定には、金属膜が必要であり、Ｍｏ，Ａｌ等が採用される。
本実施例では、バルクの熱伝導率を測定する際は、レーザーフラッシュ法を用い、薄膜の熱伝導率を測定する際は、パルス光加熱サーモリフレクタンス法を採用する。パルス光加熱サーモリフレクタンス法には、周波数領域サーモリフレクタンス法（ＦＤＴＲ法、Frequency-Domain Thermoreflectance）と時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法、Time-Domain Thermoreflectance）とがあるが、本実施例では熱伝導率の測定方法として、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）を採用している。
レーザーフラッシュ法においては、熱拡散率と比熱を測定し、熱伝導率を算出する。時間領域サーモリフレクタンス法においては、表面加熱／測温（ＦＦ）方式にて熱浸透率を測定する。
レーザーフラッシュ法において、バルクの熱伝導率の温度依存性の実験した際、相転移温度近傍にて、個別に比熱のピークもしくは熱拡散率のピークが観測された際も、熱伝導率のピークが観測されたとみなす。また、時間領域サーモリフレクタンス法において、薄膜の熱伝導率の温度依存性の実験した際、熱浸透率のピークが観測された際も、熱伝導率のピークが観測されたとみなす。すなわち、本発明における、「熱伝導率のピークを有する」とは、比熱，熱拡散率，熱浸透率のいずれかのピークが観測された際も、一義的に熱伝導率のピークが観測されたとみなす。
なお、熱伝導率のピークを有する材料は、相転移の際、比熱のピークを有する材料が好ましく、特に、相転移時のエントロピー変化が大きい相変態を示す材料が好ましい。
熱伝導率の測定方法は、例えば基板上に形成された薄膜試料をパルスレーザーで瞬間的に加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度あるいは表面温度の上昇速度を測定することにより、薄膜の膜厚方向の熱拡散率又は熱浸透率を求める方法であるＴＤＴＲ法により行う。なお、上記ＴＤＴＲ法のうち、熱拡散率を直接測定する方法（裏面加熱／表面測温（ＲＦ）方式）では、パルスレーザーが透過可能な透明基板を用いる必要があるため、透明基板でない場合は、熱浸透率を測定し、熱伝導率に換算する方式である表面加熱／測温（ＦＦ）方式で熱伝導率を測定する。なお、この測定には、金属膜が必要であり、Ｍｏ，Ａｌ等が採用される。
【0042】
本発明の実施例では、ＴＤＴＲ法にて、表面加熱／測温（ＦＦ）方式で熱浸透率を測定している。ピコサーム社NanoTR装置を用いて、ＴＤＴＲ法のＦＦ方式にて熱浸透率を測定した。ゼロバイアスでの測定は、室温で行った。本発明の実施例では、第１電極と第２電極との間に、電圧を印加し、電流を流しながら、熱浸透率の測定を実施した。また、片方の電極に熱電対を接続し、熱流スイッチング素子の温度を計測しながら、熱浸透率を測定することも試みた。電圧が印加する時間を計測し、時間経過における熱浸透率の変化を調査した。
上記ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）による測定は、Ｍｏ膜側から、パルスレーザーで瞬間的に素子を加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度を測定することで、薄膜の熱浸透率が計測される。この熱浸透率が大きい、すなわち熱伝導率が大きいと熱の伝わり方が大きくなり、温度の低下する時間が速くなる。
上記ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）による測定は、Ｍｏ膜側から、パルスレーザーで瞬間的に素子を加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度を測定することで、薄膜の熱浸透率が計測される。この熱浸透率が大きい、すなわち熱伝導率が大きいと熱の伝わり方が大きくなり、温度の低下する時間が速くなる。
【0043】
熱伝導率は、以下の式により熱拡散率または熱浸透率から計算される。
熱伝導率ｋ＝（熱拡散率α）×体積熱容量
＝（熱拡散率α）×（比熱×密度）
熱伝導率ｋ＝（熱浸透率ｂ）２／体積熱容量
＝（熱浸透率ｂ）２／（比熱×密度）
したがって、例えば、電圧印加後の熱伝導率の変化率Δｋは、以下の式にて評価される。
Δｋ＝ｋ（Ｖ）／ｋ（０）－１
Δｋ＝α（Ｖ）／α（０）－１
Δｋ＝ｂ（Ｖ）２／ｂ（０）２－１
ｋ（Ｖ）：電圧印加時の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
ｋ（０）：電圧印加なしの熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
α（Ｖ）：電圧印加時の熱拡散率（ｍ２／ｓ）
α（０）：電圧印加なしの熱拡散率（ｍ２／ｓ）
ｂ（Ｖ）：電圧印加時の熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
ｂ（０）：電圧印加なしの熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
すなわち、本実施例においては、薄膜の電圧印加後の熱伝導率の変化率Δｋは、電圧印加前後で体積熱容量が変化しないことを仮定し、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された熱浸透率の値のみを用いて評価している。
熱伝導率ｋ＝（熱拡散率α）×体積熱容量
＝（熱拡散率α）×（比熱×密度）
熱伝導率ｋ＝（熱浸透率ｂ）２／体積熱容量
＝（熱浸透率ｂ）２／（比熱×密度）
したがって、例えば、電圧印加後の熱伝導率の変化率Δｋは、以下の式にて評価される。
Δｋ＝ｋ（Ｖ）／ｋ（０）－１
Δｋ＝α（Ｖ）／α（０）－１
Δｋ＝ｂ（Ｖ）２／ｂ（０）２－１
ｋ（Ｖ）：電圧印加時の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
ｋ（０）：電圧印加なしの熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
α（Ｖ）：電圧印加時の熱拡散率（ｍ２／ｓ）
α（０）：電圧印加なしの熱拡散率（ｍ２／ｓ）
ｂ（Ｖ）：電圧印加時の熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
ｂ（０）：電圧印加なしの熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
すなわち、本実施例においては、薄膜の電圧印加後の熱伝導率の変化率Δｋは、電圧印加前後で体積熱容量が変化しないことを仮定し、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された熱浸透率の値のみを用いて評価している。
【0044】
以下の材料を用いて、電極基板上に、高電気抵抗体層（温度変化体）、相転移体層及び電極層を積層して本発明の実施例とし、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により、その熱伝導度の変化について測定した。
本発明の実施例１～５は、相転移体はＡｇ－Ｓ－Ｓｅであり、高電気抵抗体はＳｉ－Ｏ（酸化ケイ素）である。本発明の実施例６は、相転移体はＡｇ－Ｓ－Ｔｅであり、高電気抵抗体はＳｉ－Ｏ（酸化ケイ素）である。Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜及びＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜は、分子線蒸着法（ＭＢＤ法）により成膜されている。Ｓｉ－Ｏ膜は、ＳｉＯ２ターゲットを用いて、スパッタ法にて成膜されている。なお、Ｘ線回折実験により、Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜及びＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜は結晶性材料であり、Ｓｉ－Ｏ膜は、非晶質であることを確認している。
電気抵抗（比抵抗）の測定を実施し、Ｓｉ－Ｏ膜の電気抵抗率が、実施例１～６のＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜の電気抵抗率よりも、１００倍以上大きいことを確認した。本実施例では、Ｓｉ－Ｏ膜（温度変化体４）とＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜（相転移体５）との膜厚が異なるものの、Ｓｉ－Ｏ膜の電気抵抗値が、実施例１～６のＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜の電気抵抗値よりも、１００倍以上大きいことを確認した。すなわち、このＳｉ－Ｏ膜は、微小電流が流れる高電気抵抗体であり、さらに膜厚が薄く、熱抵抗値が小さいので、Ｓｉ－Ｏ膜の微小なジュール発熱効果により、効率よくＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜（相転移体５）に熱を伝えることができる。
図９の（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図１８の（ａ）は、それぞれ、Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４，Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５，Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５，Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０の薄膜Ｘ線回折実験の結果を示す。Ｃｕ管球を用いて、入射角を０度とし、２θ＝２０～１００度の範囲で２θ－θ測定（一般的な対称測定）を実施した結果、ＭＢＤ法で作製したＡｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４，Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５，Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５，Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０は、高い結晶性を有する単相膜であることを確認した。なお、Ｓｉ基板上に成膜されているので、３３度近傍にＳｉ基板由来の回折ピークが検出されている(表面ＳＥＭ－ＥＤＸ等の組成分析により、上記Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜にＳｉが含まれていないことを確認している。)。また、入射角を１度とした薄膜Ｘ線回折（視斜角入射Ｘ線回折）も実施し、上記Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜が単相膜であることを確認している。
本発明の実施例１～５は、相転移体はＡｇ－Ｓ－Ｓｅであり、高電気抵抗体はＳｉ－Ｏ（酸化ケイ素）である。本発明の実施例６は、相転移体はＡｇ－Ｓ－Ｔｅであり、高電気抵抗体はＳｉ－Ｏ（酸化ケイ素）である。Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜及びＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜は、分子線蒸着法（ＭＢＤ法）により成膜されている。Ｓｉ－Ｏ膜は、ＳｉＯ２ターゲットを用いて、スパッタ法にて成膜されている。なお、Ｘ線回折実験により、Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜及びＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜は結晶性材料であり、Ｓｉ－Ｏ膜は、非晶質であることを確認している。
電気抵抗（比抵抗）の測定を実施し、Ｓｉ－Ｏ膜の電気抵抗率が、実施例１～６のＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜の電気抵抗率よりも、１００倍以上大きいことを確認した。本実施例では、Ｓｉ－Ｏ膜（温度変化体４）とＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜（相転移体５）との膜厚が異なるものの、Ｓｉ－Ｏ膜の電気抵抗値が、実施例１～６のＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜の電気抵抗値よりも、１００倍以上大きいことを確認した。すなわち、このＳｉ－Ｏ膜は、微小電流が流れる高電気抵抗体であり、さらに膜厚が薄く、熱抵抗値が小さいので、Ｓｉ－Ｏ膜の微小なジュール発熱効果により、効率よくＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜（相転移体５）に熱を伝えることができる。
図９の（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図１８の（ａ）は、それぞれ、Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４，Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５，Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５，Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０の薄膜Ｘ線回折実験の結果を示す。Ｃｕ管球を用いて、入射角を０度とし、２θ＝２０～１００度の範囲で２θ－θ測定（一般的な対称測定）を実施した結果、ＭＢＤ法で作製したＡｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４，Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５，Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５，Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０は、高い結晶性を有する単相膜であることを確認した。なお、Ｓｉ基板上に成膜されているので、３３度近傍にＳｉ基板由来の回折ピークが検出されている(表面ＳＥＭ－ＥＤＸ等の組成分析により、上記Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜にＳｉが含まれていないことを確認している。)。また、入射角を１度とした薄膜Ｘ線回折（視斜角入射Ｘ線回折）も実施し、上記Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜が単相膜であることを確認している。
【0045】
Ａｇ２Ｓ１－ｘＳｅｘ系では、相転移温度以下の室温近傍の低温相において、ｘ≦０．６では、Ａｇ２Ｓ（単斜晶、空間群P21/c）と同じ結晶構造を有し、ｘ≧０．７では、Ａｇ２Ｓｅ（斜方晶、空間群P212121）と同じ結晶構造を有する（０．６＜ｘ＜０．７の組成域では、成膜条件により、混相もしくは異なる結晶構造をとる。）。
Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４，Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５，Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５は、Ａｇ２Ｓと同じ結晶構造をとり、Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０はＡｇ２Ｓｅと同じ結晶構造をとることを確認している。なお、相転移温度以上の高温相の結晶構造は、Ａｇ２Ｓ１－ｘＳｅｘは全てのｘ組成域（０．０≦ｘ≦１．０）において、立方晶、空間群Im-3mを示す。
図１８の（ｂ）は、Ａｇ２Ｓ０．９５Ｔｅ０．０５の薄膜Ｘ線回折実験の結果を示す。測定条件は上記と同様である。
Ａｇ－Ｓ－Ｔｅ膜が単相膜であることを確認している(表面ＳＥＭ－ＥＤＸ等の組成分析により、上記Ａｇ－Ｓ－Ｔｅ膜にＳｉが含まれていないことを確認している。)。
Ａｇ２Ｓ０．９５Ｔｅ０．０５の結晶構造は、Ａｇ２Ｓと同じ結晶構造をとる。
以下に実施例として示すＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜の全ては結晶性材料であり、ゼロバイアス（外部電圧が印加されていない状態）では、室温で１Ｗ/ｍＫ未満の非常に低い熱伝導性を示す材料である。
Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４，Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５，Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５は、Ａｇ２Ｓと同じ結晶構造をとり、Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０はＡｇ２Ｓｅと同じ結晶構造をとることを確認している。なお、相転移温度以上の高温相の結晶構造は、Ａｇ２Ｓ１－ｘＳｅｘは全てのｘ組成域（０．０≦ｘ≦１．０）において、立方晶、空間群Im-3mを示す。
図１８の（ｂ）は、Ａｇ２Ｓ０．９５Ｔｅ０．０５の薄膜Ｘ線回折実験の結果を示す。測定条件は上記と同様である。
Ａｇ－Ｓ－Ｔｅ膜が単相膜であることを確認している(表面ＳＥＭ－ＥＤＸ等の組成分析により、上記Ａｇ－Ｓ－Ｔｅ膜にＳｉが含まれていないことを確認している。)。
Ａｇ２Ｓ０．９５Ｔｅ０．０５の結晶構造は、Ａｇ２Ｓと同じ結晶構造をとる。
以下に実施例として示すＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜の全ては結晶性材料であり、ゼロバイアス（外部電圧が印加されていない状態）では、室温で１Ｗ/ｍＫ未満の非常に低い熱伝導性を示す材料である。
【0046】
「実施例１」
実施例１の熱流スイッチング素子の構造は以下の通りである。
電極基板：Ｐ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．５ｍｍ）
高電気抵抗体層（温度変化体）：Ｓｉ－Ｏ（厚さ５０ｎｍ）
相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４（厚さ１５０ｎｍ）
電極層：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
なお、相転移体層のＡｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４の、室温での熱伝導率は、０．３３Ｗ/ｍＫを示す。また、相転移温度は、７０℃程度であり、図２のレーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率の温度依存性からわかるように、室温の熱伝導率は、相転移温度以上の高温相の熱伝導率よりも低い値を示す。
実施例１の熱流スイッチング素子の構造は以下の通りである。
電極基板：Ｐ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．５ｍｍ）
高電気抵抗体層（温度変化体）：Ｓｉ－Ｏ（厚さ５０ｎｍ）
相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４（厚さ１５０ｎｍ）
電極層：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
なお、相転移体層のＡｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４の、室温での熱伝導率は、０．３３Ｗ/ｍＫを示す。また、相転移温度は、７０℃程度であり、図２のレーザーフラッシュ法により測定された熱伝導率の温度依存性からわかるように、室温の熱伝導率は、相転移温度以上の高温相の熱伝導率よりも低い値を示す。
【0047】
ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された実施例１の熱流スイッチの評価結果を、表１に示す。
実施例１では、ゼロバイアス（外部電圧が印加されていない状態）での熱浸透率が１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であると共に、電圧印加後の熱伝導率の上昇率が大きくなっていることがわかる。４０Ｖ以上の電圧を印加すると、１ｍＡ以上の電流が流れており、ジュール発熱しており、素子の温度が上昇していることが確認された。６０Ｖ程度の電圧を印加し、高電気抵抗体がさらに発熱すると、素子の温度が相転移温度近傍の温度まで上昇し、熱浸透率（熱伝導率）が最大値をとるようになる。すなわち、高電気抵抗体のＳｉ－Ｏが、リーク電流により発熱し、相転移体のＡｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４の温度が、熱伝導のピークを示す相転移温度近傍の温度まで上昇したことが、熱流スイッチングの起源と考えられる。
実施例１では、ゼロバイアス（外部電圧が印加されていない状態）での熱浸透率が１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であると共に、電圧印加後の熱伝導率の上昇率が大きくなっていることがわかる。４０Ｖ以上の電圧を印加すると、１ｍＡ以上の電流が流れており、ジュール発熱しており、素子の温度が上昇していることが確認された。６０Ｖ程度の電圧を印加し、高電気抵抗体がさらに発熱すると、素子の温度が相転移温度近傍の温度まで上昇し、熱浸透率（熱伝導率）が最大値をとるようになる。すなわち、高電気抵抗体のＳｉ－Ｏが、リーク電流により発熱し、相転移体のＡｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４の温度が、熱伝導のピークを示す相転移温度近傍の温度まで上昇したことが、熱流スイッチングの起源と考えられる。
【0048】
【表1】
【0049】
なお、図１０は、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率が測定された際の、表面温度の時間依存性を示すものであり、縦軸の表面温度は、パルスレーザーで加熱したときの最大温度にて規格化（最大１）されている。なお、縦軸の表記は、サーモリフレクタンス信号とも呼ばれる。これら測定の結果、上記実施例１にて、印加する電圧を上げて、リークする電流が多くなる程、熱浸透率が高くなると共に、電圧印加後の熱伝導率の上昇率も高くなることが確認された。すなわち、図１０の結果より、電圧印加しリーク電流が大きい時の方が、表面温度の低下スピードが速く、電圧が印加されていない時と比べて、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。なお、試験後の素子のＸ線回折実験を実施し、Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４の結晶性の変化は検出されていない。
【0050】
「実施例２」
次に、実施例２の熱流スイッチング素子の構造は以下の通りである。
電極基板：Ｐ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．５ｍｍ）
高電気抵抗体層（温度変化体）：Ｓｉ－Ｏ（厚さ５０ｎｍ）
相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５（厚さ１５０ｎｍ）
電極層：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
なお、相転移体層のＡｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５の、室温での熱伝導率は、０．３３Ｗ/ｍＫを示す。電圧を０Ｖ，４０Ｖ，５０Ｖとステップ的に変化させて、Ｓｉ－Ｏに流れるリーク電流量及び発熱量を制御しながら、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率の測定を実施した。実施例２においても、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
次に、実施例２の熱流スイッチング素子の構造は以下の通りである。
電極基板：Ｐ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．５ｍｍ）
高電気抵抗体層（温度変化体）：Ｓｉ－Ｏ（厚さ５０ｎｍ）
相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５（厚さ１５０ｎｍ）
電極層：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
なお、相転移体層のＡｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５の、室温での熱伝導率は、０．３３Ｗ/ｍＫを示す。電圧を０Ｖ，４０Ｖ，５０Ｖとステップ的に変化させて、Ｓｉ－Ｏに流れるリーク電流量及び発熱量を制御しながら、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率の測定を実施した。実施例２においても、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
【0051】
図１１および図１２は、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された熱浸透率と熱伝導率変化率の経過時間依存性を示す。また、表２は、ある特定の経過時間における結果が示されている。実施例２においても、ゼロバイアス（外部電圧が印加されていない状態）での熱浸透率が１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満である。４０Ｖ，５０Ｖ印加している間のリーク電流値は、それぞれ、０．２２Ａ，０．２６Ａとなっており、時間経過に対して、殆ど変わらず、一定の値をとる。４０Ｖ電圧印加すると、熱浸透率がやや低下する振る舞いが観測された。５０Ｖ印加すると、発熱量が増加し、熱伝導率のピークを示す相転移温度近傍まで温度上昇し、熱浸透率が１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋを超えて急増し、７００％程度の非常に大きな熱伝導率の変化が観測された。５０Ｖ電圧印加後、０Ｖもしくは４０Ｖ印加に戻すと、元の０Ｖもしくは４０Ｖの熱浸透率を示し、再び、５０Ｖ印加すると、１回目と同様に７００％程度の熱伝導率の増加が確認された。すなわち、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）による測定により、熱流スイッチの繰り返し特性、サイクル特性が確認された。
なお、試験後の素子のＸ線回折実験を実施し、Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５の結晶性の変化は検出されていない。
なお、試験後の素子のＸ線回折実験を実施し、Ａｇ２Ｓ０．４５Ｓｅ０．５５の結晶性の変化は検出されていない。
【0052】
【表2】
【0053】
なお、０Ｖよりも４０Ｖの方が、熱浸透率が低くなり、０Ｖ⇔５０Ｖよりも、４０Ｖ⇔５０Ｖの方が、大きな熱流スイッチ特性が得られる。
図１３は、０Ｖ，４０Ｖ，５０Ｖ印加した際の、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）により熱浸透率が測定された際の、表面温度の時間依存性を示す。５０Ｖ印加した時の方が、表面温度の低下スピードが速く、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。この表面温度の時間依存性は、サイクル試験（電圧変化を繰り返し実施）しても、同様なプロファイルを示すことを確認している。
図１３は、０Ｖ，４０Ｖ，５０Ｖ印加した際の、時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）により熱浸透率が測定された際の、表面温度の時間依存性を示す。５０Ｖ印加した時の方が、表面温度の低下スピードが速く、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。この表面温度の時間依存性は、サイクル試験（電圧変化を繰り返し実施）しても、同様なプロファイルを示すことを確認している。
【0054】
「実施例３，４，５、６」
次に、実施例３，４の熱流スイッチング素子の構造は以下の通りである。
電極基板：Ｐ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．５ｍｍ）
高電気抵抗体層（温度変化体）：Ｓｉ－Ｏ（厚さ５０ｎｍ）
相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５（厚さ１３０ｎｍ）
電極層：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
また、実施例５、６の熱流スイッチング素子の構造は相転移体層が以下の通りであり、他の構成は実施例３，４と同じである。
実施例５の相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０（厚さ１００ｎｍ）
実施例６の相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．９５Ｔｅ０．０５（厚さ１００ｎｍ）
次に、実施例３，４の熱流スイッチング素子の構造は以下の通りである。
電極基板：Ｐ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．５ｍｍ）
高電気抵抗体層（温度変化体）：Ｓｉ－Ｏ（厚さ５０ｎｍ）
相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５（厚さ１３０ｎｍ）
電極層：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
また、実施例５、６の熱流スイッチング素子の構造は相転移体層が以下の通りであり、他の構成は実施例３，４と同じである。
実施例５の相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．１０Ｓｅ０．９０（厚さ１００ｎｍ）
実施例６の相転移体層：Ａｇ２Ｓ０．９５Ｔｅ０．０５（厚さ１００ｎｍ）
【0055】
実施例３，４は、同様の組成であるが、Ｓｉ－Ｏの作製した時期が異なり、Ｓｉ－Ｏの電気抵抗率が異なるため、リーク電流による発熱量が異なる。なお、相転移体層のＡｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５の、室温での熱伝導率は、０．３２Ｗ/ｍＫを示す。実施例３，４においても、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）による測定により、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
実施例３においても、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により、実施例２と同様なサイクル特性が確認された。この素子は、０Ｖでは、熱浸透率が、８０３Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ程度の値を示す。４０～４１Ｖ電圧印加すると、電流が０．１４～０．１６Ａ流れ、熱浸透率は、６６６～７０６Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ程度の値を示す。
実施例３においても、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により、実施例２と同様なサイクル特性が確認された。この素子は、０Ｖでは、熱浸透率が、８０３Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ程度の値を示す。４０～４１Ｖ電圧印加すると、電流が０．１４～０．１６Ａ流れ、熱浸透率は、６６６～７０６Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ程度の値を示す。
【0056】
５０～５２Ｖ電圧印加すると、電流が０．２１～０．２３Ａ流れ、熱浸透率は、１２００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ以上の値を示すようになる。電圧印加量を４０～４１Ｖ⇔５０～５２Ｖと交互に変えて、発熱量を変えたサイクル特性実験を、８回実施した。
図１４は、０Ｖ，４０Ｖ，５２Ｖ印加した際の、実施例３のＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率を測定した際の表面温度の時間依存性を示す。４０Ｖ，５２Ｖは２サイクル目の測定結果である。５２Ｖ印加した時の方が、表面温度の低下スピードが速く、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。また、８サイクルとも、４０～４１Ｖの全てのデータ、及び、５０～５２Ｖの全てのデータは、図の表面温度の時間依存性は同様なプロファイルを示し、再現性に優れた熱伝導率のサイクル特性を実験的に確認している。なお、試験後の素子のＸ線回折実験を実施し、Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５の結晶性の変化は検出されていない。
また、図１９は、０Ｖ，４９Ｖ印加した際の、実施例６のＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率を測定した際の表面温度の時間依存性を示す。４９Ｖ印加した時の方が、表面温度の低下スピードが速く、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。すなわち、Ａｇ－Ｓ－Ｔｅ膜においても、Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜の実施例と同様に、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）による測定により、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
図１４は、０Ｖ，４０Ｖ，５２Ｖ印加した際の、実施例３のＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率を測定した際の表面温度の時間依存性を示す。４０Ｖ，５２Ｖは２サイクル目の測定結果である。５２Ｖ印加した時の方が、表面温度の低下スピードが速く、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。また、８サイクルとも、４０～４１Ｖの全てのデータ、及び、５０～５２Ｖの全てのデータは、図の表面温度の時間依存性は同様なプロファイルを示し、再現性に優れた熱伝導率のサイクル特性を実験的に確認している。なお、試験後の素子のＸ線回折実験を実施し、Ａｇ２Ｓ０．５Ｓｅ０．５の結晶性の変化は検出されていない。
また、図１９は、０Ｖ，４９Ｖ印加した際の、実施例６のＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率を測定した際の表面温度の時間依存性を示す。４９Ｖ印加した時の方が、表面温度の低下スピードが速く、熱浸透率が大きく、すなわち熱伝導率が大きくなっていることがわかる。すなわち、Ａｇ－Ｓ－Ｔｅ膜においても、Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ膜の実施例と同様に、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）による測定により、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
【0057】
実施例４においては、熱電対をＳｉ基板（電極）へ設置し、素子の温度をモニターしながら、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱流スイッチ特性を評価した。熱電対の先端部を介して電流がリークしないよう、Ｓｉ－Ｏ膜と熱電対の先端部とが接触していないことを確認した後、測定を実施している。
図１５，図２０，図２１は、実施例４，５，６の熱浸透率（ａ），熱伝導率の変化率（ｂ），素子の温度（ｃ），リーク電流量（ｄ），印加電圧量（ｅ）の経過時間依存性を示す。これらは、電圧を徐々に増加させ、リーク電流による発熱量を徐々に増加させ、素子の温度を徐々に増加させながら、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率を測定した。実施例４，５，６においても、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
図１５，図２０，図２１は、実施例４，５，６の熱浸透率（ａ），熱伝導率の変化率（ｂ），素子の温度（ｃ），リーク電流量（ｄ），印加電圧量（ｅ）の経過時間依存性を示す。これらは、電圧を徐々に増加させ、リーク電流による発熱量を徐々に増加させ、素子の温度を徐々に増加させながら、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により熱浸透率を測定した。実施例４，５，６においても、ゼロバイアスでの熱浸透率に比べ、電圧印加後の熱浸透率が大きく変化している振る舞いが観測されている。
【0058】
図１６，図１７及び図２２～図２５には、実施例４，５，６において、横軸を素子の温度としたときの、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された熱浸透率と素子の温度との関係、および、熱伝導率変化率と素子の温度との関係をプロットした図を示す。その結果、相転移温度近傍の温度にて、図２及び図３で示したレーザーフラッシュ法で測定されたバルクの熱伝導率のピークと似た振舞を観測した。時間領域サーモリフレクタンス法（ＴＤＴＲ法）にて、レーザーフラッシュ法と同様に、相転移体の相転移温度近傍の温度域で熱伝導率のピークが観測されたと考える。すなわち、高電気抵抗体のＳｉ－Ｏ膜が発熱し、相転移体のＡｇ－Ｓ－Ｓｅ膜又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ膜が、熱伝導のピークを示す相転移温度近傍の温度まで温度上昇したことが、大きな熱流スイッチング特性（大きな熱伝導率の変化）の起源と考えられる。実際に、相転移温度を超えた温度域にて、熱浸透率（熱伝導率）は、ピークよりも小さい値を取っている。図２及び図３にＡｇ－Ｓ－Ｓｅ系又はＡｇ－Ｓ－Ｔｅ系の熱伝導率の温度依存性のデータが示されているが、相転移温度以下の低温相に比べて相転移温度以上の高温相では熱伝導率が高くなっている振る舞いも再現されている。
【0059】
なお、図１６及び図１７よりわかるように、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された熱浸透率および熱伝導率の変化率が正のピークを示す温度よりもやや低い温度で、熱浸透率および熱伝導率の変化率が負のブロードピークを示し、熱浸透率および熱伝導率の変化率が最低値を示す温度領域がある。同様な振る舞いは、実施例２でも確認されている。（０Ｖよりも４０Ｖの方が、ＴＤＴＲ法（ＦＦ法）により測定された熱伝導率が低くなり、０Ｖ⇔５０Ｖよりも、４０Ｖ⇔５０Ｖの方が、大きな熱流スイッチ特性が得られる。）これら結果は、リーク電流による発熱量を微調整し、熱伝導率が負のブロードピークを示す領域と、熱伝導率が正の急峻なピークを示す領域とを、精密制御することで、大きな熱流スイッチ性能が得られることを示唆している。
また、上記実施例１～５からも分かるように、Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ系の相転移体層では、低温相と高温相とで結晶相が異なっているが、どちらの結晶相も相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有する特徴を有している。すなわち、相転移体層のＳｅ組成比が０．９０の実施例５と、Ｓｅ組成比≦０．６の実施例１～４とでは、室温近傍の低温相の結晶構造が異なるものの、相転移温度近傍の温度にて、熱浸透率（熱伝導率）のピークを有している。
また、上記実施例１～５からも分かるように、Ａｇ－Ｓ－Ｓｅ系の相転移体層では、低温相と高温相とで結晶相が異なっているが、どちらの結晶相も相転移する際に相転移の前後のいずれの相よりも高い熱伝導率を有する特徴を有している。すなわち、相転移体層のＳｅ組成比が０．９０の実施例５と、Ｓｅ組成比≦０．６の実施例１～４とでは、室温近傍の低温相の結晶構造が異なるものの、相転移温度近傍の温度にて、熱浸透率（熱伝導率）のピークを有している。
【0060】
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0061】
上記各実施形態では、温度変化体として、第１電極と第２電極との間で印加された電圧に応じて生じた電流により発熱する材料を含む電気抵抗体を採用したが、ペルチェ素子や固体熱量効果材料（電気熱量効果材料、磁気熱量効果材料）等の電磁気的な外部エネルギーにより冷却する材料や素子を含む電磁気冷却体を採用しても構わない。
なお、温度変化体として、電気抵抗体と電磁気冷却体とを組み合わせて採用しても構わない。すなわち、相転移温度よりも高温で熱伝導率が小さくなるＡｇ－Ｓ－Ｔｅのような材料の相転移体では、電気抵抗体により高温域で動作させ、また、電磁気冷却体により相転移体の温度を下げて、熱伝導率を大きくさせることも可能になる。
なお、温度変化体として、電気抵抗体と電磁気冷却体とを組み合わせて採用しても構わない。すなわち、相転移温度よりも高温で熱伝導率が小さくなるＡｇ－Ｓ－Ｔｅのような材料の相転移体では、電気抵抗体により高温域で動作させ、また、電磁気冷却体により相転移体の温度を下げて、熱伝導率を大きくさせることも可能になる。
【符号の説明】
【0062】
１，２１，３１，４１…熱流スイッチング素子、２…第１電極、３…第２電極、４…温度変化体（電気抵抗体）、５…相転移体、６，２６，３６…積層部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
