Wärmekraftmaschinchenchen
Ein Siliziumoszillator kann mittels Gleichstrom zu einer periodischen Pendelbewegung angeregt werden.
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Ein Siliziumoszillator kann mittels Gleichstrom zu einer periodischen Pendelbewegung angeregt werden.
In den Niederlanden haben Forscher von NXP Semiconductors eine winzige Wärmekraftmaschine mit einem Arbeitsvolumen von nur 0,34 μm3 gebaut. Sie besteht lediglich aus einem speziell geformten Stück Silizium und kann mittels eines Gleichstroms zu zyklischen Bewegungen angeregt werden.
Abb.: Die mikroskopische Wärmekraftmaschine: der Oszillator in der Mitte ist an zwei Stegen befestigt, von denen einer durch seinen viel kleineren Querschnitt eine deutlich stärkere Erwärmung durch den Stromfluss zeigt. (Bild: P. G. Steeneken et al., Nat. Phys.)
Die Struktur ist recht einfach: Ein Oszillator aus kristallinem Silizium mit Abmessungen von 12,5 x 60,0 x 1,5 μm ist an zwei Stäben aufgehängt. Einer ist 3 μm breit (die Feder), der andere lediglich 280 nm (der Antrieb). Wird ein Gleichstrom von einem zum Anderen fließen gelassen, so führt dies – auf Grund der verschiedenen Querschnitte – zu einer unterschiedlichen Erwärmung und Ausdehnung der beiden Stäbe. Zudem zeigt der Widerstand, hervorgerufen durch den piezoresistiven Effekt, eine Abhängigkeit von der mechanischen Auslenkung des Oszillators. Die Schwungmasse und der Phasenunterschied zwischen diesen Prozessen (wegen endlich schneller Wärmeleitung) sorgen im Weiteren für eine periodisch ablaufende Bewegung. Nach einer starken, elektrisch hervorgerufenen Erwärmung des Antriebs wegen der Stauchung durch die Pendelbewegung der Schwungmasse lässt die Erwärmung nach, da der Antriebsstab in der Bewegung gedehnt wurde.
Analog kann dieser thermodynamische Prozess auch zur Kühlung dieser Schwingungsmodes des Oszillators genutzt werden. Damit stünde eine Methode zur Verfügung, mittels eines Stücks Silizium und eines Gleichstroms zum Beispiel nanomechanische Sensoren zu kühlen.
KK
