НАНОПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2016 года по МПК B81B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к устройствам, основанным на нанотехнологии и предназначенным для использования в качестве многовариантного переключателя электрических цепей в микроэлектронике и наноэлектронике, а также в технических устройствах, находящихся в условиях высоких температур и значительных электрических напряжений.

Известны наноустройство и способ (см. патент РФ на изобретение №2442746, кл. МПК: В81В 1/00 и В81В 3/00, опубл. 20.02.2012 г.), включающие переключающее устройство с наноэмиттером. В переключающем наноустройстве содержатся удаленные друг от друга электроды, на поверхности одного из которых, наноэмиттера, располагаются перпендикулярно ей нанотрубки. Электроды находятся на противоположных стенках герметичной камеры, вакуумированной или наполненной газом с высокой диэлектрической постоянной. В случае использования газа при приложении к электродам напряжения, большего, чем заданное для определенной конструкции напряжение, происходит распад газа внутри камеры, что вызывает движение электрических зарядов между электродами, то есть появляется электрический ток между электродами. Наличие нанотрубок усиливает градиент локальных областей электрического поля, расположенных в окрестностях концов нанотрубок, что увеличивает ионизацию молекул газа и повышает эффективность устройства.

Недостатком данного устройства и способа переключения является сложность изготовления трехмерной герметичной наноразмерной камеры, вакуумированной или наполненной газом с заданными физическими свойствами, а также то, что диффузия находящегося в камере газа в стенки камеры будет приводить на больших промежутках времени к существенному изменению параметров устройства и к возможному нарушению его работы.

Известно устройство с нанодиодом и нанопереключателем для использования в стволе скважины и способ его работы (см. патент РФ на изобретение №2320858, кл. МПК: Е21В 43/1185 и F42B 3/10, опубл. 27.03.2008 г.), включающее в себя переключатель с таким же, как в предыдущем устройстве, принципом работы и с такой же структурой. Отмечается, что такое и подобные ему наноустройства надежны в условиях высокой температуры, то есть температуры выше 100°С, и высокого напряжения, то есть от 100 В до 1000 В и выше. На этом основании устройство предлагается использовать в инструментах, предназначенных для бурения стволов скважин.

Недостатки нанопереключателя, входящего в состав данного устройства, аналогичны недостаткам предыдущего устройства.

Известны работы (K. Terabe, T. Hasegawa, T. Nakayama, M. Aono. Quantized conductance atomic switch // Nature. - 2005. - vol. 433. - P. 47-50), (T. Hino, T. Hasegawa, K. Terabe, T. Tsuruoka, A. Nayak, T. Ohno, M. Aono. Atomic switches: atomic-movement-controlled nanodevices for new types of computing // Science and Technology of Advanced Materials. - 2011. - vol. 12. - 12 pp.), в которых предложен и исследован атомный переключатель, принцип действия которого основан на следующем. После приложения к первому электроду, изготовленному из Ag и на своем торце - из Ag₂S, положительного потенциала, а к другому обычному электроду - отрицательного потенциала, на торце Ag₂S первого электрода вырастает совокупность атомов Ag, образующая в определенный момент времени электропроводящий мостик, соединяющий два электрода. Образуется электрическая цепь - происходит включение электрической цепи. При приложении к этим электродам электрических потенциалов обратной полярности электропроводящий мостик не возникает.

Недостатком данного устройства является то, что оно обладает основным свойством диода - способностью проводить электрический ток только в одном направлении, а также то, что оно не имеет элементов, предназначенных для управления образованием или прерыванием электропроводящей цепи. То, что устройство имеет свойства не только нанопереключателя, но и нанодиода, ограничивает возможности устройства как переключателя и делает возможным только один вариант переключения одной электрической цепи.

Известно устройство Electromechanical switch, storage device comprising such an electromechanical switch and method for operating the same (см. патент США на изобретение № US 8320174 В2, опубл. 27.11.2012 г.), включающее в себя переключатель на основе углеродных нанотрубок. Отмечается, что каждая отдельная нанотрубка позволяет образовать одну из двух электрических цепей.

Недостатком данного устройства - прототипа, является то, что каждая отдельная углеродная нанотрубка устройства не может образовать поочередно более двух электрических цепей.

Сущность предлагаемого устройства - нанопереключателя, заключается в использовании электропроводящей углеродной нанотрубки (или электропроводящей неуглеродной нанотрубки) в качестве подвижного элемента, предназначенного для образования шести электропроводящих электрических цепей или для их прерывания, а также в наличии элементов устройства, выполняющих функцию управления состоянием соединений электрических цепей нанопереключателя.

Технический результат, достигаемый нанопереключателем, состоит, во-первых, в том, что его управляющие элементы позволяют либо допустить возможность включения одной из шести основных цепей, либо исключить ее с использованием для этого деформации электропроводящей нанотрубки, а во-вторых, в том, что при этом может быть включена или разорвана любая из шести электропроводящих цепей. Технический результат достигается следующим образом. Конструкцией нанопереключателя обеспечивается то, что при деформации электропроводящей нанотрубки, на которой предварительно создается отрицательный электрический потенциал, возникает механический контакт нанотрубки с одним из шести основных электродов и образуется соответствующая электрическая цепь. Нанотрубка деформируется в электрическом поле, порождаемом двумя управляющими электродами, и одновременно в электрическом поле, порождаемом двумя основными электродами (из числа шести основных электродов).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков заявленного устройства, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает нанопереключатель (его поперечное сечение по первой плоскости симметрии) согласно изобретению.

Фиг. 2 изображает нанопереключатель (его поперечное сечение по второй плоскости симметрии) согласно изобретению.

Плоскости геометрической симметрии устройства, использованные при построении двух поперечных сечений, взаимно перпендикулярны и проходят через продольные диаметральные сечения нанотрубки в ее недеформированном состоянии.

Нанопереключатель представляет собой камеру высокой жесткости, стенки которой образуют вытянутый прямоугольный параллелепипед. Внутри камеры, во-первых, расположена вдоль ее оси симметрии цилиндрическая электропроводящая углеродная нанотрубка (или электропроводящая неуглеродная нанотрубка), жестко закрепленная в стенку камеры на одном своем конце, во-вторых, на стенках камеры находятся четыре пары электродов. На фиг. 1, 2 цифрами 1 и 2 обозначены две группы основных электродов электропроводящих цепей (группа 1 трех основных электродов находится на одной стенке камеры, группа 2 трех аналогичных основных электродов - на противоположной стенке камеры), цифрами 3 и 4 обозначены управляющие электроды, цифрой 5 - деформируемая упругая электропроводящая углеродная нанотрубка (или электропроводящая неуглеродная нанотрубка). На фиг. 1 показано поперечное сечение устройства, включающее в себя поперечное сечение недеформированной нанотрубки 5 и поперечные сечения центрального электрода группы 1 и соответствующего ему центрального электрода группы 2, а также изображение управляющего электрода 3, расположенного на стенке камеры за нанотрубкой. На фиг. 2 изображено второе поперечное сечение устройства, включающее в себя поперечное сечение недеформированной нанотрубки 5 и поперечные сечения двух управляющих электродов 3 и 4, а также изображения тех трех основных электродов группы 2, которые находятся на стенке камеры внутри нее под нанотрубкой. Аналогичные по свойствам и геометрии три основных электрода группы 1 находятся над нанотрубкой на противоположной стенке камеры, каждый из них расположен симметрично (относительно плоскости второго сечения) соответствующему электроду группы 1, таким образом, группы 1 и 2 электродов состоят из трех пар электродов. Конструкция нанопереключателя допускает возможность отсутствия вакуумирования полости ее камеры, которая может быть заполнена сухим воздухом, то есть конструкция не требует использования специального газа.

Реализация включения двух основных цепей, образованных нанотрубкой 5 совместно с центральным электродом группы 1 или с центральным электродом группы 2, осуществляется при отсутствии электрических потенциалов на управляющих электродах 3, 4. В этом случае при наличии отрицательного электрического потенциала на внешней поверхности нанотрубки и при достаточной величине разности отрицательного и положительного электрических потенциалов на центральных электродах групп 1 и 2 нанотрубка 5 после ее деформации в плоскости симметрии, показанной на фиг. 1, коснется того центрального электрода группы 1 или группы 2, который имеет положительный потенциал. Одна из двух электрических цепей: нанотрубка 5 - центральный электрод 1 или нанотрубка 5 - центральный электрод 2, в зависимости от полярности потенциалов на электродах 1 и 2, замкнется. При создании достаточной разности электрических потенциалов на управляющих электродах 3 и 4 нанотрубка 5 деформируется в плоскости симметрии, изображенной на фиг. 2, и проекция свободного конца нанотрубки на стенки камеры, содержащие основные электроды групп 1 и 2, будет пересекаться с областями двух нецентральных электродов Э₁, Э₂ групп 1, 2, образующих одну из трех пар электродов. В этом случае при наличии отрицательного электрического потенциала на внешней поверхности нанотрубки и при достаточной величине разности отрицательного и положительного электрических потенциалов на электродах Э₁, Э₂ нанотрубка 5 после ее неплоской деформации коснется того нецентрального электрода Э₁ или Э₂, который имеет положительный потенциал. Произойдет замыкание одной из двух электрических цепей, образованных нанотрубкой и одним электродом из числа двух нецентральных основных электродов Э₁, Э₂. После изменения полярности электрических потенциалов на управляющих электродах 3 и 4 при наличии отрицательного электрического потенциала на внешней поверхности нанотрубки и при достаточной величине разности отрицательного и положительного электрических потенциалов на электродах Э₃, Э₄ другой пары нецентральных основных электродов групп 1 и 2 нанотрубка 5 после ее неплоской деформации коснется того нецентрального электрода Э₃ или Э₄, который имеет положительный потенциал. Таким образом, нанопереключатель позволяет реализовать включение или выключение шести электрических цепей. При изменении длины и радиуса нанотрубки, числа ее слоев, а также при увеличении числа основных электродов групп 1 и 2 с одновременным соответствующим изменением размеров электродов групп 1 и 2 увеличится число электрических цепей, включение или выключение которых будет обеспечиваться аналогичным нанопереключателем. Конструкция нанопереключателя отличается возможностью увеличения числа образуемых электрических цепей до 10 или 14 введением в группы 1 и 2 дополнительных двух или четырех пар основных электродов.

Таким образом, изложенное выше описание свидетельствует о выполнении, при использовании заявленного изобретения, следующей совокупности условий:

- нанопереключатель, воплощающий заявленное изобретение в микроэлектронике и наноэлектронике, предназначен для реализации включения или выключения шести электрических цепей, порождаемых, во-первых, наличием в нанопереключателе управляющих электродов и одной деформируемой электропроводящей нанотрубки, во-вторых, двумя вариантами полярности электрических потенциалов на трех парах соответствующих друг другу основных электродов;

- заявленное устройство в том виде, в котором оно охарактеризовано в описании чертежей, является более простым в изготовлении по сравнению с наноустройством и способом (см. патент РФ на изобретение №2442746, кл. МПК В81В 1/00 и В81В 3/00, опубл. 20.02.2012 г.), что подтверждает возможность его осуществления;

- простота конструкции нанопереключателя повышает его надежность и создает возможность его применения в условиях высоких температур и значительных электрических напряжений;

- устройство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемых заявителем поставленных технических задач.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Использование: для использования в качестве многовариантного переключателя электрических цепей. Сущность изобретения заключается в том, что нанопереключатель содержит деформируемую жестко закрепленную на одном конце нанотрубку и два основных электрода для образования двух электропроводящих цепей с помощью электрического поля этих электродов, два электрода, выполняющих функцию управления с помощью своего электрического поля деформацией нанотрубки для создания четырех дополнительных электрических цепей, а также наличием четырех дополнительных основных электродов, деформирующих посредством своего электрического поля нанотрубку и в результате этого вступающих в контакт с ней для образования поочередно четырех дополнительных электропроводящих цепей. Технический результат: обеспечение возможности включения и разрыва любой из шести электропроводящих цепей. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нанопереключатель, включающий деформируемую жестко закрепленную на одном конце нанотрубку и два основных электрода для образования двух электропроводящих цепей с помощью электрического поля этих электродов, отличающийся наличием двух электродов, выполняющих функцию управления с помощью своего электрического поля деформацией нанотрубки для создания четырех дополнительных электрических цепей, а также наличием четырех дополнительных основных электродов, деформирующих посредством своего электрического поля нанотрубку и в результате этого вступающих в контакт с ней для образования поочередно четырех дополнительных электропроводящих цепей.

2. Нанопереключатель по п. 1, отличающийся наличием шести вариантов создания электрических цепей, образованных деформируемой нанотрубкой и одним из шести основных электродов в результате действия электрических полей, порождаемых двумя управляющими электродами и двумя электродами из числа шести основных электродов.

3. Нанопереключатель по п. 1, отличающийся возможностью увеличения числа образуемых различных цепей до 10 и 14.