DE102017107597B4

DE102017107597B4 - Bauelemente mit einer bei Raumtemperatur supraleitenden Teilvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102017107597B4
Application number: DE102017107597.6A
Authority: DE
Inventors: Pablo Esquinazi; Jan Meijer; Bernd Burchard
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Burchard Bernd Dr De; Quantum Technologies GmbH
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2037-04-08
Also published as: DE102017107597A1

Abstract

Elektrisches oder optisches oder magnetisches oder elektronisches Bauelement
mit einer Teilvorrichtung,
die ein erstes Substrat (GSub) bestehend aus zwei Schichtbereichen (G_R, G_B) umfasst,
wobei der erste Schichtbereich (G_B) und der zweite Schichtbereich (G_R) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (GF) aufweisen, und
wobei der erste Schichtbereich (G_B) aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom besteht,
und wobei der zweite Schichtbereich (G_R) aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur(Graphit-3R) besteht, und
wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B) aufweist, und
wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R) aufweist, und
wobei die Grenzfläche (G_F) supraleitende Eigenschaften aufweist und eine Sprungtemperatur (T_C) aufweist, die höher ist als -100 °C, und
wobei das erste Substrat (GSub) so strukturiert ist, dass die Außenkante der Grenzfläche (G_F) in zumindest einem Teilbereich des ersten Substrats (GSub) durch Bearbeitung verändert ist, und
wobei die Grenzfläche (G_F) zumindest einen elektrischen Kontakt aufweist, der dazu vorgesehen oder geeignet ist, die Grenzfläche (G_F) elektrisch mit einem elektrischen Leiter zu verbinden,
wobei das erste Substrat (GSub) mit einem Träger (Sub₁) verbunden ist, und
wobei das erste Substrat (GSub) längs eines Querschnitts in mindestens zwei voneinander beabstandete Teilstrukturen aufgeteilt ist.

Description

Stand der Technik
Methoden zur Graphitherstellung sind seit langem aus der Patentliteratur bekannt. Zu nennen wäre hier beispielsweise die US 836 355 A , CA 764 889 A , CA 702 962 A , CA 238 795 A , CA 717 458 A , CA 632 113 A . Aus der DE 3 602 330 A1 und der CN 102 800 382 B ist die Herstellung von Graphitfasern bekannt. Auch die Verwendung von Graphit für elektrische Bauelemente ist seit langem bekannt. Es sei hier an Edisons Glühbirne erinnert.
Aus der US 8 964 491 B2 ist eine Graphen basierende Speicherzelle bekannt. Dabei wird ein Graphen-Stack verschiedenen elektrischen Bedingungen ausgesetzt. Aus dieser Schrift ist auch bekannt, dass die Bandlücke der unterschiedlichen Stapelungen von Graphen (siehe 3 der US 8 964 491 B2 und entsprechende Beschreibung in der US 8 964 491 B2 ) wesentlich unterschiedliche Bandlückenaufweisen kann.
Aus der US 8 247 060 B2 ist eine nicht supraleitende Graphit-basierende Struktur für Abschirmaufgaben bekannt. Die in der US 8 247 060 B2 offengelegte technische Lehre nutzt den Diamagnetismus der Graphen Ebenen, um ein angelegte Magnetfelder abzuschirmen.
Aus Wikipedia (Zitat) ist für den Diamagnetismus bekannt, dass Diamagnetismus eine der Ausprägungsformen des Magnetismus in Materie ist. Diamagnetische Materialien entwickeln in einem externen Magnetfeld ein induziertes Magnetfeld in einer Richtung, die dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist. Diamagnetische Materialien haben die Tendenz, aus einem inhomogenen Magnetfeld herauszuwandern. Ohne äußeres Magnetfeld haben diamagnetische Materialien kein eigenes Magnetfeld, sie sind nichtmagnetisch. Der Proportionalitätsfaktor der Feldabschwächung wird durch die relative Permeabilität µ_r (bzw. die magnetische Suszeptibilität χ = µ_r- 1 bestimmt und ist bei Diamagneten kleiner als 1.
In der Physik werden alle Materialien mit negativer magnetischer Suszeptibilität und ohne magnetische Ordnung als diamagnetisch klassifiziert. Die am stärksten diamagnetischen Elemente unter Normalbedingungen sind Bismut und Kohlenstoff.
Durch die Strukturierung in kleine Teilflächen kann gemäß der US 8 247 060 B2 ein Supraleiterähnliches Verhalten bei höheren Temperaturen erzielt werden als dies zum Zeitpunkt der Anmeldung der US 8 247 060 B2 für Supraleiter bekannt war. So heißt es z.B. in Spalte 1, Zeile 65 bis Spalte 2 Zeile 1 der US 8 247 060 B2 : „The metamaterial structures disclosed herein are capable of operating at higher T than a metamaterial based on a superconductor.“ Dies bedeutet übersetzt: „Die hierin offenbarten Metamaterialstrukturen sind in der Lage, bei höherem T zu arbeiten als ein Metamaterial auf der Basis eines Supraleiters.“ In Spalte 3 Zeile 32 bis 34 der US 8 247 060 B2 heißt es: „The approximation, χ(Θ)^∼cos2 Θ, also can be used for the fit (similarly to superconductor-based metamaterials).“ Dies heißt übersetzt: „Die Approximation, χ(Θ)^~cos2 Θ, kann auch für die Näherung (ähnlich wie supraleiterbasierte Metamaterialien) verwendet werden.“ Der in der US 8 247 060 B2 für die Abschirmung genutzte Effekt ist somit der Landau-Diamagnetismus von Graphit. (Vergleiche auch Y. Kopelevich et al., J.; Ferromagnetic- and Superconducting-Like Behavior of Graphite; Low Temp. Phys. 119, 691 (2000), P. Esquinazi et al., Ferromagnetism in oriented graphite samples; Phys. Rev. B 66, 024429 (2002) und M. P. Sharma et al., Diamagnetism of Graphite Phys. Rev. B 9, 2467 (1974), M. Koshino et al., Magnetic field screening and mirroring in graphene; Phys. Rev. Lett. 102, 177203 (2009)). Die US 8 247 060 B2 offenbart beispielsweise, in Spalte 3 Zeilen 63 bis 66 der US 8 247 060 B2 , dass der in der US 8 247 060 B2 beschriebene Effekt auf Basis des Diamagnetismus des Graphits bei einer bernalen Kristallstruktur des Graphits auftritt.
Aus verschiedensten Publikationen sind Bauelemente mit bei Tieftemperatur supraleitenden Strukturen bekannt. Als eines von unzähligen Beispielen kann hier die US 2015 / 0 080 223 A1 genannt werden. Als Supraleitung bei Tieftemperatur sei hier eine Sprungtemperatur T_c zu verstehen, die kleiner als 0°C ist. Diese Vorrichtungen müssen also bei Raumtemperatur (typ. 20°C) gekühlt werden.
Aus BALLESTAR, Ana, „Superconductivity at graphite interfaces“, Dissertation. Leipzig 2014 ist das Auftreten von Supraleitung ähnlichen Eigenschaften an Graphit-Proben unterhalb von -100°C bereits bekannt ohne dass dort eine konkrete notwendige Kristallstruktur für Supraleitung oberhalb von -100°C und ein Verfahren zur Nacharbeit benannt werden konnten.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches, elektronisches, magnetisches oder optisches Bauelements anzugeben, das zumindest eine bei Raumtemperatur supraleitende Teilstruktur aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtungen und Verfahren der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
Es wird dabei ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen oder magnetischen oder elektronischen Bauelements vorgeschlagen, das zumindest eine bei Raumtemperatur supraleitende Komponente aufweisen soll. Als Material für die supraleitende Teilvorrichtung wird die Kombination zweier unterschiedlicher Graphit-Modifikationen vorgeschlagen, die in einem ersten Verfahrensschritt durch das Bereitstellen (1) eines ersten Substrats (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R ) erzielt wird. Jeder dieser beiden Schichtbereiche (G_B , G_R ) repräsentiert dabei vorzugsweise eine Graphit-Modifikation. Der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) sind übereinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Grenzfläche (G_F ) auf. Der erste Schichtbereich (G_B ) besteht beispielsweise aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom je Atom-Lage und der zweite Schichtbereich (G_R ) aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur (englisch rhombohedral, Graphit-3R) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom je Atom-Lage. Die Bezeichnung erster und zweiter Schichtbereich kann in der Realität vertauscht sein. Die Grenzfläche (G_F ) weist bevorzugt eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F ) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B ) auf. Parallel im Sinne dieser Offenbarung bedeutet dabei, dass die Orientierung der Flächennormalen (n_F ) der Grenzfläche (G_F ) relativ zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B ) einen Kippwinkel von weniger als 45°, besser weniger als 20°, besser weniger als 10°, besser weniger als 5°, besser weniger als 2°, besser weniger als 1°, besser weniger als 0,5°, besser weniger als 0,25° aufweist. Für den exakten Bereich konnte bisher noch keine exakte Untersuchung durchgeführt werden. Für die Nacharbeit wird daher empfohlen, für die jeweilige Graphit-Quelle eigene statistische Untersuchungen anzustellen, um den Bereich einzugrenzen. Sicher ist, dass bei einer perfekten Übereinstimmung der beobachtete Effekt auftritt. Insofern sind bei einer Produktion Fertigungstests vorzusehen, die nicht funktionierende Substrate (GSub) aussortieren. Besonders bewährt haben sich Widerstandsmessungen und Messungen mit einem Magnetic Force Microscope. Des Weiteren soll die Grenzfläche (G_F ) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F ) ebenfalls parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R ) sein. Hinsichtlich der Toleranzen dieser Parallelität gilt hier das Vorgesagte ebenfalls.
Die Verwendung dieser Eigenschaftender der Grenzflächen zwischen Graphen-Schichten unterschiedlicher Stapelungen und die entsprechenden Verfahren zur Nutzbarmachung sind aus dem Stand der Technik für die Verwendung in elektrischen, elektronischen, optischen oder magnetischen Bauelementen nicht bekannt.
Es wurde bei der Ausarbeitung des Vorschlags beobachtet, dass die Grenzfläche (G_F ) supraleitende Eigenschaften aufweist und dabei die Grenzfläche (G_F ) eine Sprungtemperatur (T_C ) aufweist, die höher ist als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K aufweist, die höher ist als 1T und/oder 50 T. Dies ist somit ein wesentliches Merkmal zur Unterscheidung vom Stand der Technik. Um nun ein elektronisches, elektrisches, optisches oder magnetisches Bauelement herzustellen, ist es sinnvoll, das Substrat (GSub) zu strukturieren (8). Dies kann insbesondere durch nass-chemische Ätzung (z.B. in konzentrierter Schwefelsäure in der Kalium-Di-Chromat gelöst ist) geschehen. Ein Problem der nasschemischen Ätzung ist die Aggressivität der Chemikalien, die zu Ätzung notwendig sind. Daher ist eine Strukturierung mittels lonen- oder Teilchenstrahlätzung sehr sinnvoll. Dies kann beispielsweise in einem Sauerstoff-Plasma oder in einem Argon-Plasma geschehen. Eine andere mögliche und sehr erfolgreiche Methode zur Herstellung kleinster Strukturen ist die Focussed-Ion-Beam-Ätzung, die reaktiv unter Verwendung chemisch ätzender Atome und Moleküle erfolgen kann und/oder die Verwendung von Gasen, die eine rein mechanische Ätzung hervorrufen (z.B. Argon etc.). Auch ist eine Plasmaätzung möglich. Hierbei können sowohl RIE-Verfahren als auch DRIE-Verfahren zum Einsatz kommen. Eine nasschemische Ätzung kann durch das Anlegen einer Spannung an das Substrat (GSub) gegenüber einer Elektrode im Ätzbad unterstützt werden. Eine solche elektrochemische Ätzung ist somit eine weitere Möglichkeit der Strukturierung eines solchen supraleitenden Graphit-Substrats (GSub).
Neben diesen chemischen Strukturierungsmethoden, kommt auch eine spanende Formgebung mittels eines oder mehrere Meißel mit Schneiden in Frage. Daher kann die Strukturierung auch durch Fräsen, Ritzen, Drehen, Schleifen, Schneiden, Stechen unter Erzeugung von Spänen erfolgen. Es ist denkbar, mehrere Substrate können durch Pressung und/oder Sinterung zu einem größeren Ganzen zusammenzufassen. Eine Variante des Plasmaätzens, die möglich ist, ist die Funkenerosion. Durch eine Amorphisierung, beispielsweise mittels eines Kohlenstoff-Ionenstrahls oder eines lonenstrahls aus einem anderen Element oder aus Molekülen, kann die Kristallstruktur lokal zerstört werden, wodurch die Grenzfläche als solche zerstört wird und der supraleitende Bereich begrenzt oder strukturiert wird. Um später das Substrat anschließen zu können wird diese in mindestens einem weiteren Verfahrensschritt mit elektrischen Kontakten versehen. Es handelt sich also um einen Verfahrensschritt des Bereitstellens (13) von Kontakten der Grenzfläche (G_F ).
Bei der Ausarbeitung des vorgeschlagenen Verfahrens hat es sich gezeigt, dass es sinnvoll ist, vor der Verarbeitung der Substrate (GSub), diese auszurichten. Daher umfasst ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines vorgeschlagenen Bauelements den Schritt des Feststellens (2) der Orientierung der Flächennormalen (n_F ) der Grenzfläche (G_F ) innerhalb des Substrats (GSub). Diese Orientierung kann beispielsweise mittels einer Röntgenbeugungsanalyse erfolgen. Andere Verfahren sind denkbar. So lässt sich Graphit vorzugsweise längs der Atomlagen spalten. Ein solcher Orientierungsschritt kann daher auch in der Form geschehen, dass auf einer Seite des Graphit-Schicht-Pakets einige Atomlagen abgespalten werden. Die verbleibende Oberfläche ist dann vorzugsweise senkrecht zur Flächennormale der Grenzfläche.
Es hat sich bei der Verwendung von Naturgraphit gezeigt, dass nicht alle Graphitsubstrate die gewünschte Raumtemperatursupraleitung aufweisen. Bei flächigen Proben wurde zur Feststellung des bei Raumtemperatur supraleitenden Bereiches zunächst die Probe erhitzt und dann mit Hilfe eines genügend starken Permanentmagneten magnetisiert. Hierbei entstand ein Kreisstrom, der mittels eines Magnetic Force Microscopes (MFM) detektiert werden konnte.
Es ist daher vorteilhaft, mittels eines solchen Messmittels die in dem Prozessschritt (2) die Lage des supraleitenden Bereichs der Grenzfläche (G_F ) innerhalb des Substrats (GSub) mittels eines Magnetic Force Microscopes (MFM) oder eines anderen geeigneten Messmittels für die Verteilung einer magnetischen Flussdichte oder Feldstärke zu erfassen und den supraleitenden Bereich zu identifizieren.
In der Regel liegt das Substrat(GSub) nicht in der gewünschten Form vor. Daher ist es vorteilhaft die Schichtbereiche (G_R , G_B ) abzudünnen. Ein solcher Verfahrensschritt des Abdünnens (3) eines Schichtbereiches (G_B , G_R ), im Folgenden der „betreffende Schichtbereich“, und der Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (G_F ) ist daher ein bevorzugter Bestandteil des vorgeschlagenen Verfahrens. Die Mindestdicke des betreffenden Schichtbereichs, der äbgedünnt wird, sollte dabei drei Atomlagen nicht unterschreiten. Besser ist eine Abdünnung auf mehr als 6, besser 10, besser 20, besser 50, besser 100 Atom-Lagen. Das Abdünnen kann dabei beispielsweise mit den Verfahren erfolgen, die auch bei der Strukturierung angewandt werden. Dies wären beispielsweise, aber nicht nur, das nasschemische Ätzen, die lonen- oder Teilchenstrahlätzung, die Focussed-Ion-Beam -ätzung, die Plasmaätzung mit RIE- und/oder DRIE-Ätzung, die elektrochemische Ätzung, die spanende Formgebung und die Funkenerosion. Die verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Abdünnung sind hierauf aber sicher nicht beschränkt. Besonders zu erwähnen wären hier besonders präzise Methoden wie Läppen und elektrochemische Politur und das Polieren mit heißen Metallscheiben, bei denen sich Kohlenstoff im Metall während des Kontakts mit dem Graphit löst.
Nachdem nun einer der Schichtbereiche (G_R , G_B ) soweit abgedünnt wurde, dass er beispielsweise mit fotolithografischen Verfahren weiter strukturiert werden kann, wird nun in einer Variante des Verfahrens zu Herstellung des elektrischen Bauelements vorgeschlagen, das Substrat (GSub) nach dem Abdünnen des betreffenden Schichtbereichs der beiden Schichtbereiche (G_R , G_B ) mit der so entstandenen, typischerweise nahezu ideal glatten Oberfläche in einem weiteren Schritt auf der Oberfläche (OF) eines Trägers (Sub₁ ) zu befestigen bzw. zu platzieren. Es handelt sich also um den Verfahrensschritt des Aufbringens (4) des abgedünnten Substrats (GSub) auf die Oberfläche (OF) eines Trägers (Sub₁ ).
Sofern die im Laufe des Abdünnens entstandene Oberfläche des Substrats (GSub) ideal poliert wurde, und die Oberfläche (OF) des Trägers (Sub₁ ) ebenfalls ideal ist, können bereits Van-der-Valsche Kräfte zwischen diesen Oberflächen wirken und zu einem Verschweißen der Flächen führen. In diesem Falle würde es sich um ein Befestigen (5) des abgedünnten Substrats (GSub) an der Oberfläche (OF) des Trägers (Sub₁ ) mittels Adhäsion handeln. Es hat sich aber gezeigt, dass in der Regel der Aufwand für die Erreichung dieser Präzision der Oberflächenbearbeitung zu groß ist und/oder das Arbeitsergebnis zu unzuverlässig ist. Daher ist es in der Regel sinnvoll, in einem Verfahrensschritt des Befestigens (5) des abgedünnten Substrats (GSub) an der Oberfläche (OF) des Trägers (Sub₁ ) mittels Bildung eines Karbides (durch Temperaturbehandlung in einem Ofen und Wahl eines karbidbildenden Materials des Trägers (Sub₁ ) die Verbindung zuverlässiger zu gestalten. Auch ist stattdessen die Bildung eines Eutektikums denkbar. Schließlich kommen auch Klebung oder Schweißung, insbesondere Laser-Schweißung, in Frage. Im letzteren Falle ist die Verwendung eines Schutzgases oder die Bearbeitung in einem Vakuum, wie bei allen Temperaturbehandlungen von Graphit angezeigt.
Nach dem der betreffende Schichtbereich der Schichtbereiche (G_R , G_B ) abgedünnt wurde, ist es nun meistens sinnvoll, den noch nicht abgedünnten Schichtbereich der beiden Schichtbereiche (G_B , G_R ) ebenfalls abzudünnen. Das vorgeschlagene Verfahren wird daher bevorzugt um einen weiteren Verfahrensschritt des Abdünnens (6) des anderen Schichtbereiches (G_R , G_B ), im Folgenden der „anderer Schichtbereich“, der nicht der betreffende Schichtbereich ist, erweitert. Dies resultiert in der Schaffung einer oberen Grenzfläche (OGF) parallel zur Grenzfläche (G_F ). Wieder sollte die gleiche Mindestdicke des anderen Schichtbereichs eingehalten werden, wie beim betreffenden Schichtbereich. Die Mindestdicke des anderen Schichtbereichs, der nun ebenfalls abgedünnt wird, sollte dabei wieder drei Atomlagen nicht unterschreiten. Besser ist eine Abdünnung auf mehr als 6, besser 10, besser 20, besser 50, besser 100 Atom-Lagen. Dass Abdünnen kann dabei beispielsweise wieder mit den Verfahren erfolgen, die auch bei der Strukturierung angewandt werden. Dies wären wieder beispielsweise, aber nicht nur, das nasschemische Ätzen, die lonen- oder Teilchenstrahlätzung, die Focussed-Ion-Beam -ätzung, die Plasmaätzung mit RIE- und/oder DRIE-Ätzung, die elektrochemische Ätzung, die spanende Formgebung und die Funkenerosion. Die verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Abdünnung des anderen Schichtbereiches sind hierauf wiederum nicht beschränkt. Besonders zu erwähnen wären hier wieder besonders präzise Methoden wie Läppen und elektrochemische Politur und das Polieren mit heißen Metallscheiben, bei denen sich Kohlenstoff im Metall während des Kontakts mit dem Graphit löst.
Ganz allgemein zeichnen sich Verfahrensvarianten dadurch aus, dass Prozessschritte zum Abdünnen von Schichtbereichen (G_R , G_B ) durch Anwendung zumindest eines der folgenden Verfahren umfassen:

• spanerzeugende Formgebung und/oder
• Polieren und/oder
• Schleifen und/oder
• Elektrochemisches Polieren und/oder
• Chemisch mechanisches Polieren (CMP) und/oder
• Nasschemisches Ätzen und/oder
• lonenätzung
• Teilchenstrahlätzung
• Chemische Ätzung
• Plasmaätzung

Es wurde nun erkannt, dass es sinnvoll ist, das ein so erstelltes elektrisches, elektronisches, optisches oder magnetisches Bauelement mit konventionellen Schaltungen kombiniert werden kann. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, eine konventionelle Schaltung in Form der Bereitstellung (7) eines zweiten Substrates (SUB) für diese Kombination vorzusehen. Dieses zweite Substrat (SUB) kann elektrisch isolierend oder elektrisch normalleitend oder elektrisch halbleitend vom p-Leitungstyp oder elektrisch halbleitend vom n-Leitungstyp oder elektrisch metallisch leitend sein. Das zweite Substrat (SUB) kann mit dem Träger (Sub₁ ) identisch sein. Der Träger (Sub₁ ) kann aber auch beispielsweise selbst wieder auf dem zweiten Substrat (SUB) durch Klebung etc. angebracht werden. Diese Verfahrensvariante umfasst natürlich auch das Durchführen des Verfahrens, wie zuvor beschrieben. Dabei kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte insbesondere, was die Bereitstellung des zweiten Substrats (SUB) betrifft, geändert sein. Sofern es sich um ein ganz oder teilweise halbleitendes Substrat, beispielsweise einen integrierten Schaltkreis handelt, ist es sinnvoll, wenn das zweite Substrat (Sub) zumindest ein halbleitendes elektronisches Bauelement umfasst. Dies können beispielsweise, aber nicht beschränkt darauf sein:
Verdrahtungen, Kontakte, Gesamtsubstratdurchkontaktierungen (englisch: Through-Silicon-Via, TSV), Kreuzungen, Isolierschichten, Dioden, PN-Dioden, eine Schotty-Dioden, ohmschen Widerstände, Transistoren, PNP- und/oder PNP-Bipolartransistoren, n- oder p-Kanal-MOS-Transistoren, Diacs, Triacs, pip,- oder nin- oder pin-Dioden, Solarzellen, etc.
Das Substrat (SUB) kann auch komplexere Strukturen, wie Logik-Gatter, Verstärker, Filter, Operationsverstärker, Multiplizierer, Analog-zu-Digitalwandler, Referenzspannungs- und - stromquellen, Stromspiegel, Differenzverstärker, Digital-zu-Analog-Wandler, Komparatoren, Speicher, Mikrorechner, Oszillatoren etc. aufweisen. Neben diesen rein elektronischen und mikroelektronischen Teilvorrichtungen, kann das zweite Substrat (SUB) auch in anderer Weise gleichzeitig oder alternativ modifiziert sein, so dass es fluidische und/oder mikrofluidische und/oder optische und/oder mikrooptische Teilvorrichtungen aufweist. Beispielsweise ist es denkbar den MHD-Effekt in einer solchen Vorrichtung auszunutzen. Des Weiteren kann es sein, dass das zweite Substrat (SUB) ein anderes elektronisches und/oder elektrisches Bauelement, insbesondere aber nicht beschränkt darauf, eine Flachspule oder einen Kondensator, aufweist, das in Mikrostrukturtechnik auf dem zweiten Substrat oder in diesem zweiten Substrat (SUB) gefertigt ist. Um eine Verdrahtung oder Kontaktierung herzustellen, ist es zunächst angebracht, mittels Aufbringen (9) mindestens einer elektrisch leitenden Schicht auf das erste Substrat (GSub) oder zweite Substrat (SUB), die Kontakte herzustellen. Dabei kann die elektrisch leitende Schicht elektrisch normalleitend oder elektrisch halbleitend vom p-Leitungstyp oder elektrisch halbleitend vom n-Leitungstyp oder elektrisch metallisch leitend sein. Insbesondere kann es sich auch um einen amorphen oder polykristallinen Halbleiter, beispielsweise Silizium oder Germanium oder Diamant oder diamantähnlichen Schichten (DLC) handeln. Es ist denkbar, in einer solchen halbleitenden Schicht halbleitende elektronische Bauelemente wie Dioden, Transistoren und Widerstände einzubetten. Teile einer solchen halbleitenden Schicht können daher eine andere Dotierung und damit einen anderen Leitungstyp aufweisen als andere Teile der gleichen halbleitenden Schicht. Auch können die spezifischen Widerstände und/oder die Beweglichkeit und/oder die Ladungsträgerdichte und oder die Dotierstoffdichte und/oder die Dichte der Traps innerhalb einer solchen halbleitenden Schicht variieren. Um die Bauteile gut verdrahten zu können ist es zweckmäßig diese insbesondere durch foto- und/oder ionenstrahllithografische Verfahren zu strukturieren. Aus dem Stand der Technik sind diese Verfahren hinlänglich bekannt, weshalb hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird. Somit umfasst das vorgeschlagene Verfahren in diesem Fall auch die Strukturierung (10) der mindestens einen elektrisch leitenden, insbesondere elektrisch normalleitenden Schicht, beispielsweise um Leiterbahnen herzustellen. Es sei hier darauf hingewiesen, dass Leiterbahnen auch aus hoch dotiertem Halbleitermaterial hergestellt werden können. Um diese Leiterbahnen durch das erste Substrat (GSub) nicht kurzzuschließen, ist es sinnvoll, wenn dieses von dem Graphitkörper des ersten Substrats (GSub) elektrisch isoliert wird. Hierzu ist es sinnvoll, vor dem Aufbringen der normalleitenden Schicht das Aufbringen (11) mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht auf das erste oder zweite Substrat oder auf eine elektrisch normalleitende Schicht durchzuführen. Hierzu eignen sich beispielsweise Siliziumdioxid oder andere isolierende Stoffe, wie Siliziumnitrid. Auch ist es denkbar, hierfür vorzugsweise fotolithografisch strukturierbare Kunststoffe wie beispielsweise Polyimid zu verwenden. Typischerweise ist die Öffnung der elektrischen Kontakte anschließend notwendig. Dies kann durch die Strukturierung (12) der mindestens einen isolierenden Schicht erfolgen.
Um den elektrischen Kontakt tatsächlich herzustellen, ist es typischerweise notwendig, dass die elektrisch leitende Schicht mit dem ersten Substrat (GSub) an zumindest einer Stelle in direktem mechanischen Kontakt steht. Vorzugsweise sollte es sich hierbei nicht nur um einen mechanischen, sondern auch um einen elektrischen Kontakt handeln. Auch die isolierende Schicht, muss mechanisch durch das erste Substrat (GSub) gestützt werden. Die elektrisch isolierende Schicht ist daher mit dem ersten Substrat (GSub) an zumindest einer Stelle in direktem mechanischem Kontakt. Die Strukturierung (9, 11) der isolierenden Schicht erfolgt, wie die der elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht bevorzugt fotolithografisch und/oder nasschemisch und/oder durch Plasmaätzung und/oder lonen- und Partikelstrahlbeschuss und/oder Amorphisierung und/oder E-Beam-Bestrahlung und/oder Laser-Bestrahlung und/oder mechanisch spanende Verfahren und/oder formgebende Verfahren, die bei einer Strukturierung, die die Strukturierung der der Grenzfläche mit umfasst, mit einem Reißen der Grenzfläche (G_F ) kombiniert sind.
Als Ergebnis des oben beschriebenen beispielhaften Herstellungsprozesses ergibt sich ein elektrisches oder optisches oder magnetisches oder elektronisches Bauelement, das zumindest eine Teilvorrichtung umfasst, die ein erstes Substrat (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_R , G_B ) umfasst, wobei der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F ) aufweisen. Wenn von übereinander gesprochen wird, so ist damit gemeint, dass bei geeigneter Orientierung des Gesamtpakets die jeweiligen Schichtbereiche übereinander liegen. Daher kann das Gesamtpaket auch in andere Orientierungen gedreht sein. Der erste Schichtbereich (G_B ) der Teilvorrichtung besteht aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom. Der zweite Schichtbereich (G_R ) der Teilvorrichtung besteht aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur (englisch rhombohedral, Graphit-3R) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom. Die Grenzfläche (G_F ) weist vorzugsweise wieder eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F ) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B ) auf. Die Grenzfläche (G_F ) weist des Weiteren eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F ) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R ) auf. Die Grenzfläche (G_F ) weist dabei im Gegensatz zum Stand der Technik supraleitende Eigenschaften auf. Die Grenzfläche (G_F ) weist dabei eine Sprungtemperatur (T_C ) auf, die höher ist als -195°C und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K auf, die höher ist als 1T und/oder 50 T ist. Um die Kontaktierung der Grenzfläche zu ermöglichen, ist das erste Substrat (GSub) ist dabei so strukturiert, dass die Außenkannte der Grenzfläche (G_F ) in zumindest einem Teilbereich des ersten Substrats (GSub) durch Bearbeitung verändert ist. Vorzugsweise wird dieser Randbereich des ersten Substrats (GSub) so verändert, dass beispielsweise durch Anschrägen die Grenzfläche (G_F ) offen liegt und mittels Metalldeposition kontaktiert werden kann. Um das Bauteil anschließen zu können, ist es sinnvoll, wenn die Grenzfläche (G_F ) zumindest einen elektrischen Kontakt aufweist, mit der dazu vorgesehen oder geeignet ist, die Grenzfläche (G_F ) elektrisch mit einem elektrischen Leiter zu verbinden.
Um nun ein geeignetes Signal aus dem Bauelement zu erhalten, wird das Bauelement mittels eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen oder optischen oder magnetischen oder elektronischen Bauelements mit elektrischer Energie versorgt. Hierzu wird das vorgeschlagene elektrische oder magnetische oder elektronische Bauelement bereitgestellt. Das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb eines vorgeschlagenen elektrischen oder optischen oder magnetischen oder elektronischen Bauelements zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass das Bauelement eine supraleitende Teilvorrichtung mit einer Sprungtemperatur (T_C ) aufweist, die höher ist als -196°C und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K aufweist, die höher ist als 1T und/oder 50 T. Durch Bestromen des elektrischen Bauelements bei einer Temperatur (T), die oberhalb von -196°C liegt wird in dem elektrischen oder optischen oder magnetischen oder elektronischen Bauelement ein elektrischer Stromfluss hervorgerufen. Hierbei ist es vorteilhaft, das Bauelement zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur (T_C ) zu erhitzen und dann unterhalb der Sprungtemperatur, aber noch oberhalb von -195°C zu betreiben. Dabei tritt dann innerhalb der supraleitenden Schicht, der Grenzfläche (G_F ), ein Stromfluss auf. Auf Basis einer solchen bei Raumtemperatur supraleitenden Schicht lässt sich somit ein elektrisches Bauelement definieren, was dadurch gekennzeichnet ist, dass es zumindest eine Teilvorrichtung aufweist, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T aufweist. Vorzugsweise weist es als elektrischen Supraleiter Kohlenstoff und zwar vorzugsweise in kristalliner Form und zwar vorzugsweise in rhombohedrischer Kristallstruktur (Graphit 3R) und/oder in Bernal-Kristallstruktur (Graphit 2H) auf. Es ist vorzugsweise dazu vorgesehen, in einem ersten vorgesehenen Betriebszustand bei einer Arbeitstemperatur (T_a ) oberhalb der Sprungtemperatur (T_c ) betrieben zu werden und in einem zweiten vorgesehenen Betriebszustand bei einer Arbeitstemperatur (T_a ) unterhalb der Sprungtemperatur (T_c ) betrieben zu werden.
Ein solches supraleitendes Bauelement kann durch Ausnutzung der kritischen Temperatur (T_C ) als Temperatursensor verwendet werden. Ein vorgeschlagener Temperatursensor ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass er ein elektrisches Bauelement wie zuvor vorgeschlagen aufweist, das mindestens eine supraleitende Teilvorrichtung wie zuvor beschrieben aufweist. Bei einem solchen vorgeschlagenen elektrischen Bauelement hängt seine Leitfähigkeit von einem externen Magnetfeld ab. Diese Abhängigkeit kann abrupt durch Überschreiten der kritischen Magnetfeldstärke (B_k ) oder durch langsames Eindringen der magnetischen Flusslinien in den Supraleiter hervorgerufen werden. Von besonderem Interesse sind ringförmige und/oder spiralige Strukturen insbesondere im Zusammenhang mit Flachspulen und/oder Josephson -Kontakten. Solche Strukturen zeichnen sich dadurch aus, dass die supraleitende Teilstruktur eines solchen Bauelements ein topologisches Geschlecht größer 0 aufweist. Das bedeutet: Die supraleitende Struktur weist zumindest ein Loch auf, das ganz vom Supraleiter umfangen ist. Im Sinne dieser Offenbarung sind damit auch beispielsweise ringförmige Supraleiter eingeschlossen, die z.B. an einem oder zwei oder noch mehreren Stellen beispielsweise durch Tunnelstrecken für Ladungsträger unterbrochen sind. Auch solche Konstruktionen sollen durch das topologische Geschlecht 0 erfasst sein.
Das einfachste elektronische Bauelement, das sich durch das oben skizzierte Verfahren realisieren lässt, ist das einer elektrischen Leitung. Hierfür wird beispielsweise das erste Substrat (GSub), wie beschrieben auf beiden Seiten abgedünnt und auf einem zweiten Substrat (SUB) als Träger montiert. Die Kristallkanten werden parallel zur Leitungsrichtung links und rechts der Mittellinie der Leitung durch die Strukturierung so heraus gearbeitet, dass vorzugsweise nur noch die Leitung als solche auf dem zweiten Substrat (SUB) verbleibt. Ggf. wird die Leitung an ihren beiden Enden wie zuvor beschrieben mittels Metalldeposition und anschließender vorzugsweise fotolithografischer Strukturierung dieses Metalls angeschlossen. Natürlich ist es auch denkbar, ein erstes Substrat beispielsweise mechanisch so zu bearbeiten, dass sich beispielsweise ein länglicher Stab ergibt, wobei der Vektor der Stabrichtung parallel zu einem Ebenenvektor der Grenzfläche (G_F ), der parallel zu dieser Grenzfläche (G_F ) ist, ist, wodurch der Stab in zwei Hälften, den ersten Schichtbereich (G_B ) und den zweiten Schichtbereich (G_R ) geteilt wird. Die elektrischen Kontakte können in einem solchen Fall auch durch Metallkappen hergestellt werden, die auf dem Stab an dessen jeweiligen Enden aufgesetzt werden.
Da beim Stromfluss ein Magnetfeld auftritt, ist es möglich, mittels einer ersten solchen Leitung, wenn sie in einem Abstand zu einer zweiten solchen Leitung geführt ist, elektrische Eigenschaften der ersten Leitung durch den Stromfluss in der zweiten Leitung zu verändern. Hierbei kann es sich bei der zweiten Leitung auch um einen Teilabschnitt eines anderen vorgeschlagenen Bauelements umfassend einen Raumtemperatursupraleiter als funktionale Teilvorrichtung handeln. Statt einer Ringsstruktur ist es denkbar, das Bauelement nicht in Planartechnik herzustellen. Die Herstellung von Graphit mit hohem Anteil von rhombohedrischem Graphit ist beispielsweise aus den Patentfamilien der AU 2015 234 343 A1 , der EP 2 982 646 A1 und der JP 5 697 067 B1 bekannt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf Basis der vorgeschlagenen Vorrichtung eine bei Raumtemperatur supraleitende Leitung hergestellt wird. Diese sollte dann vorzugsweise zylinderförmig sein und rundherum graphitisiert sein. Bei einer solchen Leitung sollte bevorzugt zumindest eine supraleitende Teilstruktur zylinderförmig sein.
Ein solches vorgeschlagenen elektrische Bauelement mit einer bei Raumtemperatur supraleitenden Teilstruktur kann beispielsweise aber nicht nur eine elektrische Spule oder in speziellen Fällen eine Flachspule sein. Zwei solcher Spulen können zu einem bei Raumtemperatur elektrisch supraleitenden Übertrager für Signal und/oder Energie kombiniert werden. Wird ein Zylinder mit bernalem und rhombohedrischen Graphit abwechselnd umlaufend beschichtet und wird beispielsweise ein spiralförmiger Graben in das so entstandene Graphit-Schichtpaket gefräst, das dieses elektrisch durchtrennt, so erhält man eine bei Raumtemperatur elektrisch supraleitende Zylinderspule.
Aus der Mikrowellentechnik sind Mikrostreifenleitungen bekannt. Es wird daher vorgeschlagen, solche Mikrostreifenleitungen mittels bei Raumtemperatur supraleitenden Teilstrukturen herzustellen. Das hierzu gangbare Verfahren wurde oben beschrieben. In vielen Anwendungsfällen ist kein Übertrager notwendig, sondern eine effiziente Antenne oder ein anderes HF-Bauelement, das möglichst verlustfrei arbeitet. Es wird daher vorgeschlagen, Resonatoren, insbesondere Mikrowellenresonator und/oder THz Resonatoren und/oder Antennen und/oder ein Oszillatoren mit zumindest Teilvorrichtungen aus einem bei Raumtemperatur supraleitendem Material herzustellen. Hier kann beispielsweise das oben angegebene Verfahren angewendet werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, die Verwendung solcher bei Raumtemperatur supraleitender Teilvorrichtungen als Bauteile von elektrischen Kondensatoren zu verwenden. Beispielsweise können die Zuleitungen und/oder die Kondensator-Platten aus dem oben beschriebenen bei Raumtemperatur supraleitenden Material gefertigt werden.
Ein Bauelement kann nun so gefertigt werden, dass es einen vorgegebenen magnetischen Fluss einfriert. Wird es mit einem Sensor zur Auswertung des magnetischen Flusses kombinier, so weist das Bauteil ein bistabiles Verhalten auf.
Ein besonders wichtiges Bauelement in diesem Zusammenhang ist eine Josephson-Diode. Zur Herstellung einer solchen Josephson Diode wird beispielsweise eine bei Raumtemperatur supraleitende Leiterbahn mittels eines Focused-Ion-Beams oder Elektronenstrahls durchtrennt und die Trennstelle mit wenigen Atomlagen eines Isolators gefüllt. Die Schichten sind dabei so nahe beieinander, dass ein Tunneln der Ladungsträger immer noch möglich ist. Eine solche Struktur weist ein bistabiles Verhalten auf. Aus der DE 24 34 997 C3 ist bekannt, dass auf Basis solcher Josephson-Dioden Josephson-Speicher hergestellt werden können.
Auf Basis eines solchen bei Raumtemperatur supraleitenden Bauelements können Quantenregister-Bits hergestellt werden.
Auf Basis des bisher gesagten lassen sich auch optische Bauelemente herstellen, die zumindest eine Teilvorrichtung aufweisen, die einen elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c ) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T aufweist.
Ebenso werden hier magnetische Bauelemente vorgeschlagen, die zumindest eine Teilvorrichtung aufweisen, die jeweils zumindest einen elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c ) größer als -195°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T aufweist.
Es ist dazu vorgesehen, bei einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur (T_c ) und/oder bei einem externen Magnetfeld unterhalb der kritischen magnetischen Flussdichte (B_k ) betrieben zu werden. Bei bestimmungsgemäßen Gebrauch weist das vorgeschlagene magnetische Bauelement ein Dauermagnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte (B) von mehr als 5µT auf.
Ein solches vorgeschlagenes magnetisches Bauelement ist ein Flussquantengenerator. In diesem Zusammenhang sei auf die DE 28 43 647 C3 verwiesen.
Ein solches Bauelement kann auch in elektrischen Maschinen eingesetzt werden. Insbesondere können solche Bauelemente zur Messung des Magnetfeldes und damit zur Bestimmung der Rotorposition eingesetzt werden. Es wird daher eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die eine rotierende Maschine oder ein Linearmotor sein kann, die zumindest eine Teilvorrichtung - beispielsweise einen elektromagnetisch arbeitenden Sensor zur Rotorpositionsbestimmung - aufweist, die selbst wieder eine Teilvorrichtung aufweist, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist, womit die betreffende elektrische Maschine diese Eigenschaft ebenfalls besitzt. Der Sensor und damit die supraleitende Teilvorrichtung kann Teil eines Rotors und/oder eines Läufers oder eines Stators der Maschine sein.
Solche magnetischen Sensoren, mit zumindest einer bei Raumtemperatur supraleitenden Teilvorrichtung, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c ) größer als -195°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist, sind aufgrund ihrer Empfindlichkeit von besonderem Interesse für die Medizintechnik. Beispielsweise können sie als Sensoren und Antennen für NMR-Anlagen etc. eingesetzt werden.
Aus dem gleichen Grunde wird vorgeschlagen, mobile Geräte mit solchen Sensoren auszustatten. Das vorgeschlagene mobile Gerät weist daher zumindest eine Teilvorrichtung auf, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c ) größer als -195°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist. Eine solche Teilvorrichtung kann aber auch beispielsweise ein Energiespeicher für das mobile Gerät sein.
Daher wird auch ein Energiespeicher vorgeschlagen, der Energie beispielsweise in Form eines supraleitenden Kreisstroms speichert. Ein solcher Energiespeicher zeichnet sich dadurch aus, dass er zumindest eine Teilvorrichtung aufweist, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.
Vorteil der Erfindung
Durch die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen wird die energieverlustfreie Nutzung supraleitender elektrischer Leiter bei Raumtemperatur möglich. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Figurenliste

1 1 zeigt für ein beispielhaft vorgeschlagenes Herstellungsverfahren den ersten Schritt der Bereitstellung (1) eines Substrats (GSub).
2 2 zeigt den dritten Schritt des Abdünnens (3) eines „betreffenden“ Schichtbereiches (G_B , G_R ), hier des ersten Schichtbereichs (G_B ) und Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (G_F ) nach bereits erfolgtem Feststellen (2) der Orientierung der Flächennormalen (n_F ) der Grenzfläche (G_F ) innerhalb des Substrats (GSub).
3 3 den Schritt des Befestigens (5) des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) an der Oberfläche (OF) des Trägers (Sub₁ ) nach dem Aufbringen (4) des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) auf die Oberfläche (OF) eines Trägers (Sub₁ ).
4 4 zeigt das Abdünnen (6) des anderen Schichtbereiches (G_R , G_B ), der nicht der betreffende Schichtbereich ist, hier des zweiten Schichtbereichs (G_R ).
5 5 zeigt die beispielhafte Strukturierung (8) des ersten Substrats (GSub).
6 5 zeigt die beispielhafte Strukturierung (8) des ersten Substrats (GSub) mit beispielhafter Abschrägung der Ätzkanten durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter.
7 5 zeigt das beispielhafte Aufbringen (9) mindestens einer elektrisch leitenden Schicht (ELS) auf das erste Substrat (GSub), um die Kontakte herzustellen.
8 8 zeigt die beispielhafte Strukturierung (10) der mindestens einen elektrisch leitenden Schicht (ELS).
9 9 zeigt das beispielhafte Aufbringen (11) mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht (IS) auf das erste Substrat (GSub) bzw. den Träger (Sub₁ ) bzw. die elektrisch, insbesondere normal leitende Schicht (ELS).
10
10 zeigt die beispielhafte Strukturierung (12) der mindestens einen isolierenden Schicht (IS) z.B. zum Öffnen der Kontakte oder von Durchkontaktierungen.
11 11 zeigt eine beispielhafte Schrittabfolge zur Herstellung der vorgeschlagenen Vorrichtungen:
1. 1 Bereitstellen (1) eines ersten Substrats (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R );
2. 2 Feststellens (2) der Orientierung der Flächennormalen (n_F ) der Grenzfläche (G_F ) innerhalb des Substrats (GSub);
3. 3 Abdünnen (3) eines „betreffenden“ Schichtbereiches (G_B , G_R ) und Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (G_F );
4. 4 Aufbringen des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) auf die Oberfläche (OF) eines Trägers (Sub₁ );
5. 5 Befestigen des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) an der Oberfläche (OF) des Trägers (Sub₁ );
6. 6 Abdünnen des anderen Schichtbereiches (G_R , G_B ), der nicht der betreffende Schichtbereich ist;
7. 7 Bereitstellung eines zweiten Substrates (SUB), beispielsweise in Form einer mikroelektronischen Schaltung;
8. 8 Strukturierung des ersten Substrats (GSub);
9. 9 Aufbringen mindestens einer elektrisch leitenden Schicht auf das erste Substrat (GSub) oder auf das zweite Substrat (SUB), beispielsweise um die Kontakte herzustellen;
10. 10 Strukturierung der mindestens einen elektrisch leitenden Schicht;
11. 11 Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht auf das erste Substrat (GSub) oder zweite Substrat (SUB) oder den Träger (Sub₁ ) oder auf eine elektrisch, insbesondere normal, leitende Schicht durchzuführen;
12. 12 Strukturierung der mindestens einen isolierenden Schicht z.B. zum Öffnen der Kontakte oder von Durchkontaktierungen;
13. 13 Bereitstellen der Kontakte der Grenzfläche (G_F ).
12 12 zeigt eine Josephson-Diode im Querschnitt. Das beispielhafte erste Substrat (GSub) aus 4 ist durch das Tunnel-Element (TU), beispielsweise ein wenige Atom-Lagen dickes Oxid, durchtrennt.
13 13 zeigt das beispielhafte elektrische Bauelement auf Basis des Josephson-Kontakts aus 12 in der Aufsicht. Das erste Substrat (GSub) ist so strukturiert, dass sich ein ringförmiges Gebilde ergibt. Die beiden Zweige sind durch je eine Josephson-Diode (TU₁ , TU₂ ) unterbrochen. Bei Stromfluss (I) hängt der Spannungsabfall vom Magnetfeld senkrecht zur Bildfläche ab.

Glossar
Graphen
Graphit Schicht, Benzol-Ringe etc.
Graphen-Lage
eine Graphen-Lage besteht im Sinne dieser Offenlegung aus mindestens einem Benzol-Ring.
Bezugszeichenliste

1: 1Bereitstellen (1) eines ersten Substrats (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R );
2: Feststellens (2) der Orientierung der Flächennormalen (n_F ) der Grenzfläche (G_F ) innerhalb des Substrats (GSub);
3: Abdünnen (3) eines „betreffenden“ Schichtbereiches (G_B , G_R ) und Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (G_F );
4: Aufbringen des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) auf die Oberfläche (OF) eines Trägers (Sub₁ );
5: Befestigen des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) an der Oberfläche (OF) des Trägers (Sub₁ );
6: Abdünnen des anderen Schichtbereiches (G_R , G_B ), der nicht der betreffende Schichtbereich ist;
7: Bereitstellung eines zweiten Substrates (SUB), beispielsweise in Form einer mikroelektronischen Schaltung;
8: Strukturierung des ersten Substrats (GSub);
9: Aufbringen mindestens einer elektrisch leitenden Schicht auf das erste Substrat (GSub) oder auf das zweite Substrat (SUB), beispielsweise um die Kontakte herzustellen;
10: Strukturierung der mindestens einen elektrisch leitenden Schicht;
11: Aufbringen mindestens einer elektrisch isolierenden Schicht auf das erste Substrat (GSub) oder zweite Substrat (SUB) oder den Träger (Sub₁ ) oder auf eine elektrisch, insbesondere normal, leitende Schicht durchzuführen;
12: Strukturierung der mindestens einen isolierenden Schicht z.B. zum Öffnen der Kontakte oder von Durchkontaktierungen;
13: des Bereitstellens (13) der Kontakte der Grenzfläche (G_F );
B: magnetische Flussdichte;
B_k: kritische magnetische Flussdichte;
c: sechszählige Symmetrieachse der hexagonalen Elementarzelle der Graphit 2H Struktur;
CMP: chemisch-mechanische Polieren;
d: hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R );
DLC: diamond like carbon (diamant-ähnliche Schichten);
ELS: elektrisch leitende Schicht;
GA: erste Graphen-Lage;
G_B: erster Schichtbereich aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen (Graphen-Lagen) mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom je Atom-Lage;
G_F: Grenzfläche zwischen dem ersten Schichtbereich (G_B ) und dem zweiten Schichtbereich (G_R );
G_R: zweiter Schichtbereich aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur (englisch rhombohedral, Graphit-3R) mit mindestens 3 Atom-Lagen (Graphen-Lagen) mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom je Atom-Lage;
G_S: Graphit-Substrat;
GSub: Substrats (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R ) und einer Grenzfläche (G_F );
IS: elektrisch isolierenden Schicht;
MFM: Magnetic Force Microscopy
n_F: Flächennormale der Oberfläche (OF);
NMR: nuclear magnetic resonance;
OF: Oberfläche des Trägers (Sub₁ );
OGF: obere Grenzfläche (OGF) des Substrats (Gsub) parallel zur Grenzfläche (G_F ) nach dem bevorzugten Abdünnen;
Sub₁: Träger;
SUB: zweites Substrat, das beispielsweise eine mikroelektronische Schaltung sein kann. Das zweite Substrat (SUB) kann mit dem Träger (Sub₁ ) identisch sein;
T: Temperatur;
Ta: Arbeitstemperatur;
T_C: Sprungtemperatur;
TSV: Through Silicon-Via;
UGF: durch Abdünnen geschaffene untere Grenzfläche des Substrats (GSub) parallel zur Grenzfläche (G_F );

Claims

Elektrisches oder optisches oder magnetisches oder elektronisches Bauelement mit einer Teilvorrichtung, die ein erstes Substrat (GSub) bestehend aus zwei Schichtbereichen (G_R, G_B) umfasst, wobei der erste Schichtbereich (G_B) und der zweite Schichtbereich (G_R) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (GF) aufweisen, und wobei der erste Schichtbereich (G_B) aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom besteht, und wobei der zweite Schichtbereich (G_R) aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur(Graphit-3R) besteht, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) supraleitende Eigenschaften aufweist und eine Sprungtemperatur (T_C) aufweist, die höher ist als -100 °C, und wobei das erste Substrat (GSub) so strukturiert ist, dass die Außenkante der Grenzfläche (G_F) in zumindest einem Teilbereich des ersten Substrats (GSub) durch Bearbeitung verändert ist, und wobei die Grenzfläche (G_F) zumindest einen elektrischen Kontakt aufweist, der dazu vorgesehen oder geeignet ist, die Grenzfläche (G_F) elektrisch mit einem elektrischen Leiter zu verbinden, wobei das erste Substrat (GSub) mit einem Träger (Sub₁) verbunden ist, und wobei das erste Substrat (GSub) längs eines Querschnitts in mindestens zwei voneinander beabstandete Teilstrukturen aufgeteilt ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen oder optischen oder magnetischen oder elektronischen Bauelements aufweisend die Schritte: - Verbinden eines ersten Substrats (GSub) bestehend aus zwei Schichtbereichen (G_R, G_B) mit einem Träger (Sub₁), wobei der erste Schichtbereich (G_B) und der zweite Schichtbereich (G_R) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F) aufweisen, und wobei der erste Schichtbereich (G_B) aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom besteht, und wobei der zweite Schichtbereich (G_R) aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur(Graphit-3R) besteht, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) supraleitende Eigenschaften aufweist und eine Sprungtemperatur (T_C) aufweist, die höher ist als -100 °C; - Strukturieren des ersten Substrats (Gsub), so dass die Außenkante der Grenzfläche (G_F) in zumindest einem Teilbereich des ersten Substrats (GSub) durch Bearbeitung verändert ist, wobei das erste Substrat (GSub) längs eines Querschnitts in mindestens zwei voneinander beabstandete Teilstrukturen aufgeteilt wird; - Kontaktieren der Grenzfläche (G_F) durch elektrisches Verbinden der Grenzfläche (G_F) mit einem elektrischen Leiter.
Elektrisches oder optisches oder magnetisches oder elektronisches Bauelement mit einer Teilvorrichtung, die ein erstes Substrat (GSub) bestehend aus zwei Schichtbereichen (G_R, G_B) umfasst, wobei der erste Schichtbereich (G_B) und der zweite Schichtbereich (G_R) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F) aufweisen, und wobei der erste Schichtbereich (G_B) aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom besteht, und wobei der zweite Schichtbereich (G_R) aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur(Graphit-3R) besteht, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) supraleitende Eigenschaften aufweist und eine Sprungtemperatur (T_C) aufweist, die höher ist als -100 °C, wobei das erste Substrat (GSub) so strukturiert ist, dass die Außenkante der Grenzfläche (G_F) in zumindest einem Teilbereich des ersten Substrats (GSub) durch Bearbeitung verändert und mit einer Abschrägung der Außenkante versehen ist, und wobei die Grenzfläche (G_F) zumindest einen elektrischen Kontakt aufweist, der dazu vorgesehen oder geeignet ist, die Grenzfläche (G_F) elektrisch direkt mit einem elektrischen Leiter im Bereich der Abschrägung zu verbinden.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen oder optischen oder magnetischen oder elektronischen Bauelements aufweisend die Schritte: - Verbinden eines ersten Substrats (GSub) aus zwei Schichtbereichen (G_R, G_B) mit einem Träger (Sub₁), wobei der erste Schichtbereich (G_B) und der zweite Schichtbereich (G_R) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F) aufweisen, und wobei der erste Schichtbereich (G_B) aus Graphit mit Bernal-Kristallstruktur (Graphit-2H) mit mindestens 3 Atom-Lagen mit einer jeweiligen Dicke von genau einem Atom besteht, und wobei der zweite Schichtbereich (G_R) aus Graphit mit rhombohedrischer Kristallstruktur(Graphit-3R) besteht, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R) aufweist, und wobei die Grenzfläche (G_F) supraleitende Eigenschaften aufweist und eine Sprungtemperatur (T_C) aufweist, die höher ist als -100 °C; - Bearbeiten eines ersten Substrats (GSub) mit einer Grenzfläche (G_F) so dass die Außenkante der Grenzfläche (G_F) durch die Bearbeitung in zumindest einem Teilbereich des ersten Substrats (GSub) verändert und mit einer Abschrägung der Außenkante versehen ist; und - Kontaktieren der Grenzfläche (G_F) durch direktes elektrisches Verbinden der Grenzfläche (G_F) mit einem elektrischen Leiter im Bereich der Abschrägung.