DE102017111577A1

DE102017111577A1 - Bauelement mit einer bei Raumtemperatur supraleitenden Teilvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung und Betrieb

Info

Publication number: DE102017111577A1
Application number: DE102017111577.3A
Authority: DE
Inventors: Pablo David Esquinazi; Jan Meijer; Bernd Burchard
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Universitaet Leipzig
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-05-28
Publication date: 2018-10-11
Also published as: DE102017129365A1; DE102017129364A1; DE102017109759A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen oder elektronischen oder optischen oder magnetischen Vorrichtung vorgeschlagen, bei dem ein Träger bereitgestellt wird und ein erstes Substrat auf diesen Träger aufgebracht wird. Das Substrat ist dabei zumindest in einen Teilbereich bei Raumtemperatur supraleitend Ein alternatives Basisverfahren umfasst das Bereitstellen eines ersten bei Raumtemperatur supraleitenden Substrats, das dann mit elektrischen Kontakten versehen wird. Um solche Substrate bereitstellen zu können, wird ein Verfahren zur Selektion natürlicher Raumtemperatursupraleiter für die technische Verwendung vorgeschlagen. Ein Substrats wird zur Untersuchung auf Raumtemperatur-Supraleitung bereitgestellt und einem einem Magnetfeld, mit mehr als 0,5 besser mehr als 1T, besser mehr als 2T, besser mehr als 4T, besser mehr als 8T ausgesetzt. Es folgt dann die Vermessung eines Bereiches des Substrats mit einer MAFM zu Lokalisierung eines Linienstromes. Ergebnis dieser Verfahren sind elektrische oder elektronische oder magnetische oder optische Vorrichtung, die zumindest einen Raumtemperatursupraleiter umfassen.

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 CN102 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.
Dieser Offenlegungsschrift liegen die zum Zeitpunkt der Anmeldung noch unveröffentlichten Schriften DE 10 2017 004 103.2 , DE 10 2017 003 537.7 und DE 10 2017 107 597.6 und DE 10 2017 109 759.7 zugrunde deren Inhalt und Offenbarungsgehalt in vollem Umfang Teil dieser Offenbarung ist. Die Priorität der DE 10 2017 004 103.2 vom 07.04.2017 wird in dieser Offenbarung in Anspruch genommen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen, elektronischen, magnetischen oder optischen Bauelements anzugeben, das zumindest eine bei Raumtemperatur supraleitende Teilstruktur aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren und Vorrichtungen der Ansprüche gelöst.
Erläuterungen zur Lösung der Aufgabe
Um die Nacharbeit zu ermöglichen wird zunächst ein allgemeines 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 (GB, GR) erzielt wird. Jeder dieser beiden Schichtbereiche (GB, GR) repräsentiert dabei vorzugsweise eine Graphit-Modifikation. Der erste Schichtbereich (GB) und der zweite Schichtbereich (GR) sind übereinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Grenzfläche (GF) auf. Der erste Schichtbereich (GB) 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 (GR) 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 (GF) weist bevorzugt eine Orientierung ihrer Flächennormalen (nF) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (GB) auf. Parallel im Sinne dieser Offenbarung bedeutet dabei, dass die Orientierung der Flächennormalen (nF) der Grenzfläche (GF) relativ zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (GB) 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 (GF) eine Orientierung ihrer Flächennormalen (nF) ebenfalls parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (GR) 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 (GF) supraleitende Eigenschaften aufweist und dabei die Grenzfläche (GF) eine Sprungtemperatur (T_c) aufweist, die höher ist als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K aufweist, die höher ist als 1T und/oder 50 T. Insbesondere wurde festgestellt, dass die hier beschriebene Konfiguration mit einer Grenzschicht an zwei Kristallen aus verschiedenen Graphitmodifikationen eine Sprungtemperatur TC von 370°K +/- 7°K aufzuweisen scheint. Mit Hilfe einer MAFM konnte dokumentiert werden, dass ein einmal induktiv in die Grenzschicht eingeprägter elektrischer Strom über Wochen konstant blieb. Dies kann nur mit supraleitenden Effekten erklärt werden. Dies ist somit ein wesentliches Merkmal zur Unterscheidung vom Stand der Technik aus dem keine Raumtemperatursupraleitung bekannt und zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenbarung zweifelsfrei nachgewiesen ist. 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 (GF).
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 (nF) der Grenzfläche (GF) 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 (GR, GB) abzudünnen. Ein solcher Verfahrensschritt des Abdünnens (3) eines Schichtbereiches (GB, GR), im Folgenden der „betreffende Schichtbereich“, und der Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (GF) 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 Ionen- 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 (GR, GB) 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 (GR, GB) 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 (GR, GB) abgedünnt wurde, ist es nun meistens sinnvoll, den noch nicht abgedünnten Schichtbereich der beiden Schichtbereiche (GB, GR) ebenfalls abzudünnen. Das vorgeschlagene Verfahren wird daher bevorzugt um einen weiteren Verfahrensschritt des Abdünnens (6) des anderen Schichtbereiches (GR, GB), im Folgenden der „anderer Schichtbereich“, der nicht der betreffende Schichtbereich ist, erweitert. Dies resultiert in der Schaffung einer oberen Grenzfläche (OGF) parallel zur Grenzfläche (GF). 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 Ionen- 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.
Ganzallgemein zeichnen sich Verfahrensvarianten dadurch aus, dass Prozessschritte zum Abdünnen von Schichtbereichen (GR, GB) 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 Ionen- 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 (GF) kombiniert sind.
Als Ergebnis des oben beschriebenen beispielhaften Herstellungsprozesses ergibt sich ein elektrisches oder optische oder magnetisches oder elektronisches Bauelement, das zumindest eine Teilvorrichtung umfasst, die ein erstes Substrat (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (GR, GB) umfasst, wobei der erste Schichtbereich (GB) und der zweite Schichtbereich (GR) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (GF) aufweisen. Wenn in dieser Offenlegung 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, ohne dass der Offenbarungs- und Beanspruchungsgehalt dieser Offenlegung aufgrund dieser anderen Orientierung verlassen wird. Der erste Schichtbereich (GB) 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 (GR) 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 (GF) weist vorzugsweise wieder eine Orientierung ihrer Flächennormalen (nF) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (GB) auf. Die Grenzfläche (GF) weist des Weiteren eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R ) auf. Die Grenzfläche (GF) weist dabei im Gegensatz zum Stand der Technik supraleitende Eigenschaften auf. Die Grenzfläche (GF) weist dabei eine Sprungtemperatur (T_c) auf, die höher ist als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als - 50°C und/ oder höher als 360°K 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 (GF) 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 (GF), 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 höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K 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 (Ta) oberhalb der Sprungtemperatur (Tc) betrieben zu werden und in einem zweiten vorgesehenen Betriebszustand bei einer Arbeitstemperatur (Ta) unterhalb der Sprungtemperatur (Tc) 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 (GF), der parallel zu dieser Grenzfläche (GF) 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 2 434 997 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 höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder höher als 360°K 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 höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K 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 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 höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K 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 höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K 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 höher als -100°C und/oder höher als -50°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 höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.
Beschreibung eines Hall-Bauelements als beispielhaftes elektromagnetisches Sensorbauelement
Bei dem beispielhaften Hall-Bauelement handelt es sich um ein elektronisches Bauelement mit einer Hall-Messstruktur. Vorteilhafter weise kann auf im Stand der Technik verfügbare halbleitende Hall-Strukturen zurückgegriffen werden. Im Sinne dieses Vorschlags ist es möglich, das Hall-Bauelement durch ein anderes für magnetische Felder empfindliches elektronisches Bauteil, beispielsweise einen GMR-Widerstand oder einen AMR-Sensor zu ersetzen. Ganz allgemein wird also ein elektronisches Bauelement vorgeschlagen, das eine elektronische Teilvorrichtung aufweist, die einen elektrischen Parameter in Abhängigkeit von einer Magnetfeldgröße oder von einem anderen Parameter des elektromagnetischen Feldes ändert und somit als Magnetfeldsensor dienen kann.
Auf diese Teilvorrichtung, also beispielsweise die besagte Hall-Struktur, wird das zuvor beschriebene bei Raumtemperatur supraleitende Substrat aufgebracht. Dies kann beispielsweis, aber nicht nur durch Aufkleben oder Festklemmen mit einem nicht magnetischen Werkstoff geschehen. Dadurch weist das elektronische Bauelement, vorzugsweise in seiner unmittelbaren Nähe zumindest eine Teilvorrichtung auf, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder und/ oder höher als 360°K aufweist. Ein anderes gleichberechtigtes Merkmal kann sein, dass die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist. Vorzugsweise wird das zuvor beschriebene Bauelement durch Verwendung der zuvor beschriebenen Graphit-Struktur hergestellt. In dem Fall ist dann die erste Teilvorrichtung ein ersten Substrat (G_Sub ) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R ),wobei der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F ) aufweisen und wobei zumindest der erste Schichtbereich (GB) oder der zweite Schichtbereich (G_R ) über der Hallmessstruktur angeordnet ist. Im Falle der Verwendung eines anderen für magnetische Felder empfindlichen elektronischen Bauteils anstelle einer Hall-Struktur, beispielsweise eines GMR-Widerstands oder eines AMR-Sensors, ist dann zumindest der erste Schichtbereich (GB) oder der zweite Schichtbereich (G_R ) über oder in der Nähe der für magnetische Felder empfindlichen Teilstruktur des anderen für magnetische Felder empfindlichen elektronischen Bauteils, das anstelle einer Hall-Struktur verwendet wird, angeordnet. In der Nähe bedeutet dabei, dass ein magnetisches Feld der bei Raumtemperatur supraleitenden Struktur auf die für magnetische Felder empfindliche Teilstruktur des anderen für magnetische Felder empfindlichen elektronischen Bauteils, das anstelle einer Hall-Struktur verwendet wird, so einwirken kann, dass ein elektrischer des anderen für magnetische Felder empfindlichen elektronischen Bauteils, das anstelle einer Hall-Struktur verwendet wird, messbar in Abhängigkeit von oder in Korrelation mit dem magnetischen Feld der bei Raumtemperatur supraleitenden Struktur verändert wird.
Der erste Schichtbereich (G_B ) besteht dann wieder 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 Grenzfläche (G_F ) weist bevorzugt eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B ) auf.
Die Grenzfläche (G_F ) weist bevorzugt eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R ) auf.
Die Grenzfläche (G_F ) weist dann wieder zumindest teilweise supraleitende Eigenschaften aufweist und wobei die Grenzfläche (G_F ) zumindest teilweise eine Sprungtemperatur (T_C ) aufweist, die höher ist als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (Bk) bei 77 K aufweist, die höher ist als 1T und/oder 50 T.
Bei Versuchen hat es sich gezeigt, dass es u.U. ausreichend ist, wenn das elektronische Bauelement 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 höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist und diese erste Teilvorrichtung ein ersten Substrats (G_Sub ) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R ) ist. Dabei sind der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) übereinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Grenzfläche (G_F ) auf. Zumindest der erste Schichtbereich (G_B ) oder der zweite Schichtbereich (G_R ) sind dabei über der Hallstruktur oder dem angeordnet. In bestimmten Fällen ist es ausreichend, wenn der erste Schichtbereich (GB) ein Kristall aus Kohlestoff mit einer ersten Kristallstruktur ist und der zweite Schichtbereich (GR) ein zweiter Kristall aus Kohlestoff mit einer ersten oder zweiten Kristallstruktur ist und zwischen dem ersten Kristall und dem zweiten Kristall eine Grenzfläche (GF) ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass eine Dotierung, insbesondere mit Bor, und/oder eine teilweise Graphitisierung in manchen Fällen dazu führen können, dass die Grenzfläche (G_F ) zumindest teilweise supraleitende Eigenschaften aufweist und die Grenzfläche (G_F ) zumindest teilweise eine Sprungtemperatur (TC) aufweist, die höher ist als -195°C bzw. höher als -100°C bzw. höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (Bk) bei 77 K aufweist, die höher ist als 1T und/oder 50 T. Die Reproduzierbarkeit war zum Zeitpunkt der Offenlegung aber nur gering. Die Dotierung mit Bor dient dabei dem elektrischen Anschluss der Grenzschicht. Zumindest der erste Schichtbereich (G_B ) oder der zweite Schichtbereich (G_R ) bevorzugt über oder in der Nähe einer Hallmessstruktur oder einem anderen Magnetfeld sensitiven Sensor oder Sensorelement angeordnet. Hierbei bedeutet Nähe, dass ein magnetisches Feld, dass durch einen Strom in der Grenzfläche (G_F ) oder dem ersten Schichtbereich (G_B ) oder dem zweiten Schichtbereich (G_R ) erzeugt wird, einen Parameter, insbesondere ein Messsignal, der Hallmessstruktur oder des anderen Magnetfeld sensitiven Sensors oder Sensorelements ändern kann.
Dem Fachmann ist offenbar, das auf diesem hier offenbarten Grundprinzip jede integrierte Schaltung im Stand der Technik mit das zuvor beschriebenen, bei Raumtemperatur supraleitenden Substrat kombiniert werden kann. Hierfür wird das zuvor beschriebene, bei Raumtemperatur supraleitende Substrat auf dem integrierten Schaltkreis aufgebracht. Dies kann beispielsweis, aber nicht nur durch Aufkleben oder Festklemmen mit einem nicht magnetischen Werkstoff geschehen. Dadurch weist die integrierte elektronische Schaltung, zumindest eine Teilvorrichtung auf, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist. Dies beispielsweise dann von Vorteil, wenn das Signal des Hall-Elements noch verstärkt werden soll. Vorzugsweise wird das zuvor beschriebene Bauelement durch Verwendung der zuvor beschriebenen Graphit-Struktur hergestellt. In dem Fall ist dann die erste Teilvorrichtung ein ersten Substrat (G_Sub ) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R ),wobei der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F ) aufweisen und wobei zumindest der erste Schichtbereich (GB) oder der zweite Schichtbereich (G_R ) auf einer Oberfläche der integrierten Schaltung angeordnet ist.
Zusammenfassung
In dieser Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen oder elektronischen oder optischen oder magnetischen Vorrichtung vorgeschlagen. Es umfasst zumindest den Schritt des Bereitstellens eines Trägers (Sub₁) und des Aufbringens eines ersten Substrats (GSub) auf den Träger (Sub₁), wobei das Substrat (GSub) zumindest einen Teilbereich aufweist, der ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.
Als alternatives Verfahren wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen oder elektronischen oder optischen oder magnetischen Vorrichtung vorgeschlagen, das das Bereitstellen eines ersten Substrats (GSub), wobei das erste Substrat (GSub) zumindest einen Teilbereich aufweist, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist, und das elektrisches Kontaktieren des ersten Substrats (GSub) umfasst.
Entsprechend wird als Ergebnis solcher Verfahren eine elektrische und/oder elektronische und/oder magnetische und/oder optische Vorrichtung vorgeschlagen, die 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 höher als 360°K 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. Beispielsweise können solche Vorrichtungen als Informationsspeicher verwendet werden. Hierbei speichert die Supraleitende Teilvorrichtung die Information, während das Magnetfeld sensitive Sensorelement die Information auslesen kann.
Beschreibung der Figuren
Die Figuren stellen schematisch vereinfachte Prinzip-Skizzen dar.
Figur 1
1 zeigt für ein beispielhaft vorgeschlagenes Herstellungsverfahren den ersten Schritt der Bereitstellung (1) eines Substrats (GSub).
Figur 2
2 zeigt den dritten Schritt des Abdünnens (3) eines „betreffenden“ Schichtbereiches (GB, GR), hier des ersten Schichtbereichs (GB) und Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (GF) nach bereits erfolgtem Feststellen (2) der Orientierung der Flächennormalen (nF) der Grenzfläche (GF) innerhalb des Substrats (GSub).
Figur 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).
Figur 4
4 zeigt das Abdünnen (6) des anderen Schichtbereiches (GR, GB), der nicht der betreffende Schichtbereich ist, hier des zweiten Schichtbereichs (GR).
Figur 5
5 zeigt die beispielhafte Strukturierung (8) des ersten Substrats (GSub).
Figur 6
5 zeigt die beispielhafte Strukturierung (8) des ersten Substrats (GSub) mit beispielhafter Abschrägung der Ätzkanten durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter.
Figur 7
5 zeigt das beispielhafte Aufbringen (9) mindestens einer elektrisch leitenden Schicht (ELS) auf das erste Substrat (GSub), um die Kontakte herzustellen.
Figur 8
8 zeigt die beispielhafte Strukturierung (10) der mindestens einen elektrisch leitenden Schicht (ELS).
Figur 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).
Figur 10
10 zeigt die beispielhafte Strukturierung (12) der mindestens einen isolierenden Schicht (IS) z.B. zum Öffnen der Kontakte oder von Durchkontaktierungen.
Figur 11
11 zeigt eine beispielhafte Schrittabfolge zur Herstellung der vorgeschlagenen Vorrichtungen: Bereitstellen (1) eines ersten Substrats (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (GB, GR);
Feststellens (2) der Orientierung der Flächennormalen (nF) der Grenzfläche (GF) innerhalb des Substrats (GSub);
Abdünnen (3) eines „betreffenden“ Schichtbereiches (GB, GR) und Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (GF);
Aufbringen des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) auf die Oberfläche (OF) eines Trägers (Sub1);
Befestigen des vorzugsweise abgedünnten Substrats (GSub) an der Oberfläche (OF) des Trägers (Sub1);
Abdünnen des anderen Schichtbereiches (GR, GB), der nicht der betreffende Schichtbereich ist;
Bereitstellung eines zweiten Substrates (SUB), beispielsweise in Form einer mikroelektronischen Schaltung;
Strukturierung des ersten Substrats (GSub);
Aufbringen mindestens einer elektrisch leitenden Schicht auf das erste Substrat (GSub) oder auf das zweite Substrat (SUB), beispielsweise um die Kontakte herzustellen;
Strukturierung der mindestens einen elektrisch leitenden Schicht;
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;
Strukturierung der mindestens einen isolierenden Schicht z.B. zum Öffnen der Kontakte oder von Durchkontaktierungen;
Bereitstellen der Kontakte der Grenzfläche (GF).
Figur 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.
Figur 13
13 zeigt das beispielhafte elektrische Bauelement (SQUID) 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.
Figur 14
14 zeigt einen schematischen, vereinfachten Querschnitt durch eine integrierte mikroelektronische Schaltung mit einer Hall-Struktur (HL), die als Magnetfeld sensitive Teilvorrichtung Teil der integrierten Schaltung ist. Die Hall-Struktur (HL) ist in einem halbleitenden Träger (Sub₁) gefertigt. Die Hall-Struktur (HL) ist durch einen Isolator (OX) geschützt. Andere Isolatoren sind denkbar. Auch sind ganze Metall / Oxid-Stapel als Isolator (OX) denkbar. Aus dem Stand der Technik sind hier vielfältige Verdrahtungssysteme für integrierte Schaltungen bekannt.
Die Hall-Struktur ist in diesem Beispiel über Kontakte (K1, K2) kontaktierbar. Mittels eine Klebers (GL) wird das supraleitende Schichtpaket, das erste Substrat (G_sub mit G_B , G_R , G_F ) mit der eigentlich supraleitenden Grenzfläche auf dem Träger (Sub₁) mit der Hall-Struktur (HL) befestigt. Auf diese Teilvorrichtung, also beispielsweise den besagten Träger (Sub₁) mit der die besagten Hall-Struktur (HL) wird also das zuvor beschriebene, bei Raumtemperatur supraleitende erste Substrat (G_B , G_R , G_F )aufgebracht. Dies kann beispielsweis, aber nicht nur durch Aufkleben oder Festklemmen mit einem nicht magnetischen Werkstoff, hier dem Kleber (GL), geschehen. Dadurch weist die Hall-Struktur (HL) als Magnetfeld empfindliches elektronisches Bauelement, in seiner unmittelbaren Nähe zumindest eine Teilvorrichtung auf, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k ) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist. Das supraleitende Schichtpaket (G_Sub ) besteht, wie zuvor, aus zumindest zwei Schichtbereichen (G_B , G_R ),wobei der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) übereinander angeordnet sind und eine gemeinsame Grenzfläche (G_F ) aufweisen und wobei zumindest der erste Schichtbereich (GB) oder der zweite Schichtbereich (G_R ) über der Hall-Struktur (HL) angeordnet ist. Der erste Schichtbereich (G_B ) und der zweite Schichtbereich (G_R ) können ihre Position tauschen.
Der erste Schichtbereich (G_B ) besteht dann wieder 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 Grenzfläche (G_F ) weist bevorzugt eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (c) des Kristallgitters des ersten Schichtbereichs (G_B ) auf.
Die Grenzfläche (G_F ) weist bevorzugt eine Orientierung ihrer Flächennormalen (n_F) parallel zur hexagonalen Symmetrieachse (d) des Kristallgitters des zweiten Schichtbereichs (G_R ) auf.
Die Grenzfläche (G_F ) weist dann wieder zumindest teilweise supraleitende Eigenschaften auf. Die Grenzfläche (G_F ) weist dann typischerweise zumindest teilweise eine Sprungtemperatur (T_C ) auf, die höher ist als -195°C und/oder höher als -100°C und/oder höher als -50°C und/ oder höher als 360°K und/ oder eine kritische magnetische Flussdichte (Bk) bei 77 K aufweist, die höher ist als 1T und/oder 50 T.
Es hat sich in Laborversuchen gezeigt, dass ein Abdünnen der Graphitschichten je nach Ausgangsmaterial nicht immer notwendig ist.
Durch eine erste Kontaktdotierung (KD1) und eine zweite Kontaktdotierung (KD2) wird in dem Beispiel der Hall-Struktur (HL) der 14 diese Hall-Struktur (HL) elektrisch über den ersten Kontakt (K1) und den zweiten Kontakt (K2) kontaktiert. Diese Dotierungen des Substrat des Trägers (Sub1) erfolgen üblicherweise mit einer sehr hohen Dotierstoffkonzentration, um ohmsche Kontakte (K1, K2) herzustellen. Ist das halbleitende Substrat des Trägers (Sub1) von einem ersten Leitungstyp, beispielsweise ein p-dotiertes Silizium-Substrat, wie es in CMOS Schaltkreisen üblich ist, so ist die Hall-Struktur (HL) dann, wenn sie nicht in einer separaten Wanne platziert ist, von einem zweiten Leitungstyp, der dem ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist, also beispielsweise eine schwach n-dotierte Silizium-Struktur innerhalb des halbleitenden Substrat des Trägers (Sub1). In diesem Fall sind die Kontaktdotierungen (KD1, KD2) ebenso von einem zweiten Leitungstyp, der dem ersten Leitungstyp entgegengesetzt ist, also beispielsweise hoch n-dotierte Silizium-Strukturen innerhalb des halbleitenden Substrat des Trägers (Sub1), die in Kontakt mit der Hall-Struktur (HK) und dem Metall der Kontakte (K1, K2) stehen. Dem Fachmann ist offenbar, dass vor dem Aufbringen des Substrats (G_sub) auf den Träger (Sub1) der Träger einem mikrotechnischen Prozess unterworfen worden sein kann, wobei auf bzw. in dem Träger mikroelektronische Schaltkreise und/oder mikromechanische Vorrichtungen und/oder mikrooptische Vorrichtungen und/oder mikrofluidische Vorrichtungen gefertigt worden sein können.
Figur 15
15 basiert auf 14. Im Gegensatz zu 14 zeigt 15 nun einen beispielhaften komplexeren Metallisierungsstapel. Dieser besteht aus einer ersten Isolationsschicht, vorzugsweise einem ersten Oxid (OX1), das vorzugsweise ein Gate-Oxid ist, und aus einer zweiten Isolationsschicht (OX2), vorzugsweise einem zweiten Oxid. Zwischen der ersten Isolationsschicht (OX1) und der zweiten Isolationsschicht (OX2) sind zwei beispielhafte Leiterbahnen (L1, L2). Es kommt nun zu einer Wechselwirkung zwischen dem Stromfluss in den Leiterbahnen (L1, L2) und der bei Raumtemperatur supraleitenden Grenzfläche G_F des Substrats G_sub. Der Induktivitätsbelag der Leiterbahnen (L1, L2) wird durch die Nähe des bei Raumtemperatur supraleitenden Substrats (G_sub) verändert.
Figur 16
16 entspricht der 15 mit dem Unterschied, dass das Substrat (G_Sub ) nun über eine dritte Leitung (L3) fotolithografisch angeschlossen wird. Hierdurch wird verhindert, dass das Substrat (G_Sub ) sich statisch aufladen kann.
Figur 17
17 zeigt schematisch eine beispielhafte kombinierte mikrofluidische / mikromechanische Vorrichtungen mit einem beispielhaften Halbleitersubstrat als Träger (Sub₁). Der Metallisierungsstapel der 15 wird nun komplexer ausgeführt, um in diesem Beispiel die mikromechanischen und mikrofluidischen Teilvorrichtungen im Metallisierungstapel auszuführen. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Ausführung mikromechanischer /mikrofluidischer Komponenten auch im Substrat des Trägers (Sub₁) erfolgen kann. Beispielsweise kann der Metallisierungsstapel Schichten aus Metallen, wie beispielsweise Titan, Wolfram, Gold, Platin, Aluminium, Eisen, Niob, Vanadium, Mangan etc., aus Isolatoren, wie beispielsweise SiliziumNitirid, Siliziumoxid etc., aus amaorphen oder polykristallinen Halbleiterschichten, sie beispielsweise polykristallinem Silizium - auch Poly genannt - oder amorphem Silizium oder kristallinen Silizium oder anderen entsprechenden Halbleitermaterialien umfassen. Dieser Schichtstapel kann daher zumindest zum Teil auch durch Bondung verschiedener Substrate aufeinander erzeugt werden. In dem Beispiel der 17 sind eine erste Isolatorschicht (OX1), eine zweite Isolatorschicht (OX2) und eine dritte Isolatorschicht (OX3) und eine polykristalline Siliziumschicht (PLY) vorgesehen. In dem Beispiel der 17 wird nun durch oberflächenmikromechanische Methoden die polykristalline Siliziumschicht in Teilbereichen der Oberfläche der Vorrichtung unterhalb der dritten Isolatorschicht (OX3) entfernt. Dies kann beispielsweise durch gasförmige Ätzgase, wie im Stand der Technik bekannt, geschehen. Bei geeigneter Strukturierung kann ein mikromechanischer Balken (BE) erzeugt werden, der zum einen elektrostatisch, z.B. über die Hall-Struktur (HL) oder die beispielhaften Leiterbahnen (L1, L2) zum Schwingen angeregt werden kann. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein solcher Balken eine Güte der Schwingung aufweist, die von dem Druck des Restgases in seiner Umgebung abhängt. Das Schwingungsverhalten hängt hier aber auch von der Wechselwirkung zwischen dem bei Raumtemperatur supraleitendem Substrat (G_Sub ) und den anderen elektrisch leitfähigen Teilvorrichtungen (L1, L2, HL, Sub₁) ab. Der Balken ist somit also auch ein mikrofluidisches Element, das mit dem gasförmigen Fluid seiner Umgebung wechselwirkt. Dessen Effizienz ist in Flüssigkeiten zwar herabgesetzt, funktioniert dort aber prinzipiell auch. Die Verwendung im Zusammenwirken mit einer Druckdose in einem Drucksensor, insbesondere einem Absolutdrucksensor ist daher ebenfalls denkbar. Hierfür muss die Kavität (CAV) der 17 nur rundherum durch das beispielhafte Poly-Silizium abgeschlossen sein. Dies zeigt 18.
Figur 18
18 entspricht der 17 mit abgeschlossener Kavität (CAV), beispielsweise für einen Absolutdrucksensor oder ein mikrofluidisches Bauteil.
Figur 19
19 entspricht der 15 mit dem Unterschied, dass eine optisch aktive Schicht (OA) aufgebracht ist, die einen elektrooptischen Effekt zeigt, der mit dem magnetischen Feld des bei Raumtemperatur supraleitenden Substrats (G_Sub ) wechselwirkt. Diese Wechselwirkung kann optisch beobachtet werden bzw. zur Modifikation optischer Strahlung, die auf die optisch aktive Schicht (OA) fällt und dort reflektiert wird genutzt werden. Im letzteren Fall ist es zweckmäßig, eine Reflexionsschicht zwischen optisch aktiver Schicht (OA) und dem bei Raumtemperatur supraleitenden Substrat (G_Sub ) einzufügen.
Figur 20
20 entspricht 19 mit dem Unterschied, dass die optisch aktive Schicht (OA) nun als eines elektrooptisch aktiven Abschnitt eines Lichtwellenleiters ausgeführt ist. Die figur zeigt diesen Abschnitt schematisch als Prinzipskizze im Querschnitt. Das Licht wird dabei senkrecht zur Bildebene in dem Lichtwellenleiter geführt. Auf diese Weise lässt sich ein magneotoptischer Schalter bauen, der mittels des Kerr-Effekts einen Lichtwellenleiterabschnitt, der in Form eines elektrooptisch aktiven Abschnitts ausgeführt ist, die Phasenlage des Lichts im Lichtwellenleiter bzw. die Laufzeit des Lichts durch diesen Abschnitt des Lichtwellenleiters moduliert. Das Besondere ist, dass das bei Raumtemperatur supraleidende Substrat ein Magnetfeld erzeugen kann, dass diesen Abschnitt des Lichtwellenleiters beeinflussen kann. Dadurch lassen sich Lichtschalter bauen, die nur zum Umschalten eine kurzzeitige Ansteuerung benötigen.
Figur 21
Entstammt der noch nicht veröffentlichten Schrift „Local magnetic measurements of permanent current paths in a natural graphite crystal“ von Markus Stiller, Pablo D. Esquinazi, Christian E. Precker, und Jose Barzola-Quiquia. Diese noch nicht veröffentlichte Schrift, deren Veröffentlichung jedoch kurzfristig geplant ist, ist hinsichtlich der angewandten Verfahren und Materialien vollumfänglicher Teil dieser Offenbarung. Die 21 zeigt die Eigenschaften dieses natürlichen Graphits, der für die Verwendung in solchen Vorrichtungen und Verfahren, wie hier beschrieben geeignet ist. Die Verwendung dieser Art von Graphit für die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren wird ausdrücklich beansprucht. Insbesondere wird die Verwendung von Graphit aus SriLanka beansprucht. Die Figur zeigt die Topografie einer geeigneten Graphitprobe Probe in den Unterfiguren ((21a),(21c),(21e)), die mittel s einer MAFM gemessen wurde. Sie zeigt des Weiteren die gemessene Phase in den Unterfiguren ((21b),(21d),(21f)) Das Unterfigurenpaar (21a, 21b) zeigt Topografie und Phase für die ursprüngliche Probe im Ursprungszustand. Das Unterfigurenpaar (21c, 21d, 21e, 21f) zeigt die Topografie und die Phase nach der Anwendung eines magnetischen Feldes. Die Phase zeigt ein Signal erst nachdem die Probe einem magnetischen Feld ausgesetzt wurde. Daher ist das Verfahren zum Auffinden von geeigneten Substraten mit folgenden Schritten Teil der Beanspruchung:

• Bereitstellen eines Substrats zur Untersuchung auf Raumtemperatur-Supraleitung insbesondere zwecks Bequemlichkeit bei einer Temperatur höher -40°C;
• Aussetzen des Substrats einem Magnetfeld, mit mehr als 0,5 besser mehr als 1T, besser mehr als 2T, besser mehr als 4T, besser mehr als 8T.
• Vermessung eines Bereiches mit einer MAFM zu Lokalisierung eines Linienstromes;

Besonders bevorzugt wird der Bereich vor der Anwendung des magnetischen Feldes vermessen, um die Änderungen vermessen zu können.
Es wird eine erneute Vermessung eines Bereiches mit einem Linienstrom nach einer Verweilzeit von mehr als 5 Minuten und/oder von mehr als einer Stunde und/oder von mehr als einem Tag und/oder von mehr als einer Woche besser einem Monat zur erneuten Bestätigung der Supraleitung empfohlen.
Die Unterfiguren 21d und 21f zeigen den Sprung des Magnetfeldes in Form einer gezackten Stufe quer durch das Bild.
Figur 22
22 zeigt eine Aneinanderreihung mehrerer Bilder der mit der MAFM gemessenen Phase. Es deutlich zu erkennen, dass es sich um großräumige Strukturen handelt.
Figur 23
23 zeigt den Sprung der Phase gemessen quer zu einer Kante der 21 und 22. Die 1/r Abhängigkeit in der Nähe der Kante ist ein Nachweis für einen Linienstrom. Dieser bleibt über sehr lange Zeit konstant, was nur durch Supraleitung erklärbar ist.
Glossar
Graphen
Graphit Schicht, Benzol-Ringe etc. Graphen ist die übliche Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren umgeben ist, sodass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet.
Graphen-Lage
Im Sinne dieser Offenbarung besteht eine Graphen-Lage zumindest an einer Stelle aus einem BenzolRing, besser der Verkettung von mindestens zwei oder mehr als zwei Benzol-Ringen.
Mikrostrukturtechnik / Mikrotechnik
Die Mikrotechnik (auch Mikrostrukturtechnik) befasst sich mit Verfahren, die zur Herstellung von Körpern und geometrischen Strukturen mit Dimensionen im Mikrometerbereich (0,1-1000 µm) angewandt werden. Strukturgrößen von unter 100 Nanometer werden zwar mit Nanotechnik bezeichnet. Sie werden hier aber im Sinne dieser Offenlegung von den Begriffen Mikrostrukturtechnik und Mikrotechnik mit umfasst.
mikroelektronische Schaltkreise
Mikroelektronische Schaltkreise im Sinne dieser Offenlegung sind elektrische Schaltungen und Vorrichtungen, die zumindest teilweise mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik / Mikrotechnik / Nanotechnik hergestellt wurden.
mikromechanische Vorrichtungen
Mikromechanische Vorrichtungen im Sinne dieser Offenlegung sind mechanische Vorrichtungen, die zumindest teilweise mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik / Mikrotechnik / Nanotechnik hergestellt wurden.
mikrooptische Vorrichtungen
Mikrooptische Vorrichtungen im Sinne dieser Offenlegung sind optische Vorrichtungen, die zumindest teilweise mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik / Mikrotechnik / Nanotechnik hergestellt wurden.
mikrofluidische Vorrichtungen
Mikrofluidische Vorrichtungen im Sinne dieser Offenlegung sind im weitesten Sinne mikromechanische Vorrichtungen, die dem Transport, der Modifikation oder sonstigen Behandlung von zumindest teilweise gasförmigen und/oder zumindest teilweise flüssigen Fluiden dienen und die zumindest teilweise mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik / Mikrotechnik / Nanotechnik hergestellt wurden.
Bezugszeichenliste

1: Bereitstellen (1) eines ersten Substrats (GSub) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (GB, GR);
2: Feststellens (2) der Orientierung der Flächennormalen (nF) der Grenzfläche (GF) innerhalb des Substrats (GSub);
3: Abdünnen (3) eines „betreffenden“ Schichtbereiches (GB, GR) und Schaffung einer unteren Grenzfläche (UGF) parallel zur Grenzfläche (GF);
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 (GR, GB), 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 (GF);
B: magnetische Flussdichte;
BE: mikromechanischer Balken;
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 (GR);
DLC: diamond like carbon (diamant-ähnliche Schichten);
ELS: elektrisch leitende Schicht;
G_A: 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 (GB) und dem zweiten Schichtbereich (GR);
GL: Kleber zum Verbinden des supraleitenden Schichtpakets mit dem Träger (Sub₁);
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;
Gs: Graphit-Substrat;
G_Sub: Substrat (G_Sub ) bestehend aus zumindest zwei Schichtbereichen (GB, GR) und einer Grenzfläche (G_F );
HL: Hall- Struktur. Es handelt sich hier um eine beispielhafte Hall-Struktur im Querschnitt.
IS: elektrisch isolierenden Schicht;
K1: erster Kontakt
K2: zweiter Kontakt
L1: erste Leiterbahn. Die erste Leiterbahn wird vorzugsweise mittels fotolithografischer Ätzverfahren aus einer ersten Metallisierungsschicht im Laufe des Herstellungsprozesses herausgearbeitet. Die erste Metallisierungsschicht wird auf der ersten Isolatorschicht (OX1) aufgebracht. Im Bereich der Kontakte (K1, K2) wird die erste Metallisierung direkt auf das Halbleitersubstrat des Trägers (Sub₁) aufgebracht.
L2: zweite Leiterbahn. Die zweite Leiterbahn wird vorzugsweise mittels fotolithografischer Ätzverfahren aus einer ersten Metallisierungsschicht im Laufe des Herstellungsprozesses herausgearbeitet. Die erste Metallisierungsschicht wird auf der ersten Isolatorschicht (OX1) aufgebracht. Im Bereich der Kontakte (K1, K2) wird die erste Metallisierung direkt auf das Halbleitersubstrat des Trägers (Sub₁) aufgebracht.
L3: dritte Leiterbahn. Die dritte Leiterbahn wird vorzugsweise mittels fotolithografischer Ätzverfahren aus einer zweiten Metallisierungsschicht im Laufe des Herstellungsprozesses herausgearbeitet. Die zweite Metallisierungsschicht wird auf der zweiten Isolatorschicht (OX2) aufgebracht. Im Bereich der Kontakte (K1, K2) wird bevorzugt, aber nicht notwendigerweise die zweite Metallisierung direkt auf die erste Metallisierung aufgebracht.
MFM: Magnetic Force Microscopy
nF: Flächennormale der Oberfläche (OF);
NMR: nuclear magnetic resonance;
OA: optisch aktive Schicht, (z.B. Schicht, die einen elektrooptischen Effekt, beispielsweise den Kerr-Effekt zeigt.);
OF: Oberfläche des Trägers (Sub1). Sofern ein Hall-Element realisiert werden soll, ist es bevorzugt, wenn der Träger aus halbleitendem Material gefertigt ist. Der Träger kann auch eine integrierte Schaltung umfassen;
OGF: obere Grenzfläche (OGF) des Substrats (Gsub) parallel zur Grenzfläche (GF) nach dem bevorzugten Abdünnen;
OX: Isolator, typischerweise SiO2 oder Silizium Nitrit oder Silizium Nitrid. Andere Isolatoren, wie z.B. Polyimid sind denkbar;
OX1: erste Isolatorschicht, typischerweise SiO2 oder Silizium Nitrit oder Silizium Nitrid. Andere Isolatoren, wie z.B. Polyimid sind denkbar. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Gate-Oxids als erste Isolatorschicht;
OX2: zweite Isolatorschicht, typischerweise SiO2 oder Silizium Nitrit oder Silizium Nitrid. Andere Isolatoren, wie z.B. Polyimid sind denkbar.;
OX3: dritte Isolatorschicht, typischerweise SiO2 oder Silizium Nitrit oder Silizium Nitrid. Andere Isolatoren, wie z.B. Polyimid sind denkbar;
PLY: polykristalline Silizumschicht. In dem Beispiel der 17 muss die polykristalline Silizumschicht von ihrem Material her so gewählt werden, dass sie selektiv gegenüber der zweiten Isolatorschicht (OX2) und der dritten Isolatorschicht (OX3) ätzbar ist;
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 (GF);

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 836355 A [0001]
CA 764889 A [0001]
CA 702962 A [0001]
CA 238795 A [0001]
CA 717458 A [0001]
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DE 3602330 A1 [0001]
CN 102800382 B [0001]
US 8964491 B2 [0002]
DE 102017004103 [0003]
DE 102017003537 [0003]
DE 102017107597 [0003]
DE 102017109759 [0003]
AU 2015234343 A1 [0025]
EP 2982646 A1 [0025]
JP 5697067 B1 [0025]
DE 2434997 [0031]
DE 2843647 [0036]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen oder elektronischen oder optischen oder magnetischen Vorrichtung umfassend die Schritte - Bereitstellen eines Trägers (Sub₁); - Aufbringen eines ersten Substrats (GSub) auf den Träger (Sub₁), - wobei das Substrat (GSub) zumindest einen Teilbereich aufweist, der ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen oder elektronischen oder optischen oder magnetischen Vorrichtung umfassend die Schritte - Bereitstellen eines ersten Substrats (GSub), - wobei das erste Substrat (GSub) zumindest einen Teilbereich aufweist, die ein elektrischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur (T_c) größer als -195°C und/oder höher als -100°C und/ oder höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist; - elektrisches Kontaktieren des ersten Substrats (GSub).
Verfahren zur Selektion natürlicher Raumtemperatursupraleiter für die technische Verwendung umfassend die Schritte - Bereitstellen eines Substrats zur Untersuchung auf Raumtemperatur-Supraleitung insbesondere zwecks Bequemlichkeit bei einer Temperatur höher -40°C; - Aussetzen des Substrats einem Magnetfeld, mit mehr als 0,5 besser mehr als 1T, besser mehr als 2T, besser mehr als 4T, besser mehr als 8T. - Vermessung eines Bereiches des Substrats mit einer MAFM zu Lokalisierung eines Linienstromes.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet - erneute Vermessung eines Bereiches mit einem Linienstrom nach einer Verweilzeit von mehr als 5 Minuten und/oder von mehr als einer Stunde und/oder von mehr als einem Tag und/oder von mehr als einer Woche besser einem Monat zur erneuten Bestätigung der Supraleitung.
Elektrische oder elektronisch Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, - dass sie 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 höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.
Magnetische Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, - dass sie 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 höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.
Optische Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, - dass sie 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 höher als 360°K und/ oder die kritische magnetische Flussdichte (B_k) bei 77 K höher als 1T und/oder 50 T ist.