ES2395949B1 - Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo abo3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma - Google Patents
Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo abo3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma Download PDFInfo
- Publication number
- ES2395949B1 ES2395949B1 ES201231444A ES201231444A ES2395949B1 ES 2395949 B1 ES2395949 B1 ES 2395949B1 ES 201231444 A ES201231444 A ES 201231444A ES 201231444 A ES201231444 A ES 201231444A ES 2395949 B1 ES2395949 B1 ES 2395949B1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- graphene
- crystal
- layer
- application
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 49
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 claims abstract description 9
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 17
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 6
- -1 LiIO3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 4
- 229910015846 BaxSr1-xTiO3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910012463 LiTaO3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020289 Pb(ZrxTi1-x)O3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910020273 Pb(ZrxTi1−x)O3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 16
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 11
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 11
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 3
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical group [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000997 Graphane Polymers 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
- H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/80—Constructional details
- H10N60/85—Superconducting active materials
- H10N60/855—Ceramic superconductors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/99—Alleged superconductivity
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
- Y10T428/30—Self-sustaining carbon mass or layer with impregnant or other layer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo ABO{sub,3} y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma.#Una plataforma electrónica que comprende un sustrato compuesto por un cristal de ABO{sub,3} (2) y al menos una capa de una lámina conductora bidimensional de átomos de carbono (1) de un grosor de entre uno y cuatro átomos, caracterizada porque la(s) capa(s) conductora(s) está(n) ubicada(s) encima de una cara del cristal cuyo eje ortogonal está a un ángulo de hasta 35º del eje de polarización espontánea del cristal o eje c. La invención consigue una resistencia laminar inferior a 1 {og}/cuadrado a temperaturas superiores a 77K.
Description
Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo ABO3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma
La presente invención se refiere a dispositivos electrónicos y optoelectrónicos que muestran una muy baja resistencia eléctrica, más en particular, a dispositivos superconductores que comprenden grafeno y cristales de ABO3.
Recientemente el grafeno, una monocapa de carbono bidimensional con estructura de panal (figura 1), ha pasado a ser un material destacado debido a sus propiedades únicas, que incluyen un comportamiento de Dirac sin masa para los electrones, efecto Hall cuántico, una conductividad mínima incluso cuando la densidad de portadores tiende a cero, una movilidad electrónica elevada independiente del nivel de dopado para un rango bastante grande y una absorción uniforme (del 2,3%) por todo el rango espectral óptico, impermeabilidad frente al oxígeno, el agua, el helio y un límite elástico elevado. Por último, pero por eso no menos importante, presenta la posibilidad de ajustar las propiedades electrónicas y ópticas cambiando el nivel de dopado a través de campos eléctricos. Desde la preparación de escamas de alta calidad en 2004 usando exfoliación mecánica, se han realizado diversos dispositivos electrónicos y fotónicos, incluyendo transistores de alta frecuencia, pantallas de cristal líquido, fotodetectores de alta eficiencia, membranas resonantes y células solares orgánicas. La futura industrialización de los dispositivos que contienen grafeno depende significativamente de la disponibilidad de grandes láminas de grafeno de alta calidad sobre el sustrato apropiado. Otro aspecto crucial para la mayoría de las aplicaciones es poder inducir el dopado en grafeno y cambiar sus propiedades eléctricas y ópticas. Por ejemplo una capa de grafeno no dopado tiene una resistencia laminar típica de >1000 ohmios/cuadrado, haciendo que el dopado sea necesario para la mayoría de las aplicaciones eléctricas y electrónicas. Las propiedades eléctricas del grafeno también dependen significativamente del sustrato. Por ejemplo el grafeno suspendido así como el grafeno sobre nitruro de boro hexagonal muestran normalmente una conductividad un orden de magnitud superior que el grafeno sobre vidrio. El rendimiento eléctrico mejorado del grafeno sobre el nitruro de boro cristalino se debe principalmente a una menor rugosidad superficial y las interacciones en la superficie de contacto con el sustrato, gracias a la coincidencia de la red cristalina del grafeno con el nitruro de boro hexagonal. También se ha demostrado teóricamente que el grafeno puede llegar a ser superconductor si se intercala apropiadamente con átomos de litio, aunque a temperaturas críticas muy bajas (aproximadamente 10K) [G. Profeta et al., Nature Physics vol. 8, pág. 131 (2012)]. En otro trabajo teórico [G. Savini et al., Phys. Rev. Lett. vol. 105, pág. 037002 (2010)] se ha demostrado que el grafeno hidrogenado (grafano), cuando se dopa apropiadamente con orificios a niveles superiores a 1014 cm-2, puede llegar a ser superconductor a 90K. Se ha observado experimentalmente supercorriente en grafeno (efecto de proximidad superconductor) a un nivel menor de densidad de portadores cuando se usaron contactos superconductores en una configuración de unión Josephson [H.B. Heershe et al., Nature 446, pág. 56 (2007)].
La presente invención pretende conseguir una plataforma electrónica u optoelectrónica con una resistencia laminar inferior a 1 /cuadrado, a temperaturas superiores a las de la técnica anterior, es decir, superiores a 77K.
Con este fin, la invención propone una plataforma electrónica que comprende un sustrato compuesto por un cristal de ABO3 y al menos una capa de una lámina conductora bidimensional de átomos de carbono de un grosor de entre uno y cuatro átomos, en el que la capa conductora está ubicada encima de una cara del cristal cuyo eje ortogonal está a un ángulo de hasta 35º del eje de polarización espontánea del cristal o eje c. Este corte del cristal se llama comúnmente corte c. El cristal puede ser LiNbO3, LiTaO3, LiIO3, BaxSr1-xTiO3, Pb(ZrxTi1-x)O3, variando x entre 0 y 1. Opcionalmente, la capa de grafeno está conformada como barras de Hall y la plataforma comprende contactos de oro de un grosor de 10 a 1000 nm. La invención también comprende un chip con una capa de cromo de un grosor de 1 a 50 nm entre la capa de grafeno y los contactos de oro.
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporcionan un conjunto de dibujos. Dichos dibujos ilustran una realización preferida de la invención, que no debe interpretarse como que restringe el alcance de la invención, sino sólo como ejemplo de cómo puede realizarse la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:
La figura 1 muestra la estructura hexagonal del grafeno con una distancia entre átomos de carbono de aproximadamente 0,142 nm.
La figura 2 muestra las condiciones de enlace de octaedros de átomos constituyentes de cristales de LiNbO3 en el plano cristalográfico ab.
La figura 3 es una vista lateral de cristales de LiNbO3 con polarización espontánea opuesta (Ps).
La figura 4 muestra una capa de grafeno sobre un cristal de LiNbO3 de corte en c según una puesta en práctica de la invención.
La figura 5 ilustra una realización de las invenciones del grafeno sobre un diseño de chip de LiNbO3, mediciones eléctricas establecidas en el entorno criogénico.
La figura 6 muestra una realización de la invención dotada de contactos compuestos por oro y el grafeno en forma de barras de Hall.
La figura 7 es una gráfica del ciclo de temperatura que induce una resistencia eléctrica anómalamente baja en el grafeno sobre LiNbO3.
La figura 8 es una gráfica de la resistencia como función de la corriente a diferentes temperaturas tras el ciclo térmico de la figura 7.
La invención se basa en el siguiente efecto: la estructura cristalina de LiNbO3 consiste en octaedros de oxígeno deformados que comparten sus puntas, caras y bordes a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas, formando una red cristalina trigonal (axial con respecto a c). A lo largo del eje c (la secuencia de apilamiento de cationes ideal a lo largo del eje trigonal es –Li–Nb–o–Li–Nb–o– en la que o indica una vacante) cada octaedro comparte sus planos de oxígeno con los superiores y inferiores adyacentes. En el plano ab, perpendicular al eje c, cada octaedro comparte sus bordes de oxígeno con los adyacentes (figura 2). En la figura 2 puede observarse que cada octaedro está rodeado por otros seis octaedros, por ejemplo cada octaedro de LiO6 está rodeado por tres octaedros de o06 y tres octaedros de NbO6 [D. Xue et al., Journal of Physics and Chemistry of Solids vol. 66, pág. 589 (2005)]. El LiNbO3 en su fase ferroeléctrica tiene una polarización eléctrica espontánea (Ps) de aproximadamente 0,72 C/m2 a lo largo del eje c. El estado ferroeléctrico se caracteriza por un efecto de histéresis de la polarización eléctrica como una función del campo eléctrico aplicado, haciendo que el cristal presente una Ps en ausencia de un campo eléctrico externo. Una región del cristal con Ps uniforme se denomina dominio. El cristal se denomina monodominio o monocristal cuando tiene la misma Ps por todo el volumen. Obsérvese que el LiNbO3 también puede tener o bien una fase paraeléctrica en la que no hay regiones con Ps o bien una estructura cristalina multidominio que consiste en regiones de dominio orientadas de una manera aleatoria o predefinida. En una imagen simplificada, la vista lateral de la estructura de LiNbO3 ferroeléctrico se representa en la figura 2. Obsérvese que los iones Li+ están situados en lados opuestos de los planos de oxígeno mientras que los iones Nb5+ están entre los planos de oxígeno. También se sabe que puede cambiarse la polarización espontánea, por ejemplo crear regiones de dominios opuestos u orientar todos los dominios en la misma dirección (formar una estructura monodominio) aplicando campos eléctricos elevados, del orden de 20 kV/mm a temperatura ambiente. Durante este proceso, denominado inversión del dominio de campo eléctrico o poling (polarizado), los iones Li+ se mueven a través de los planos de oxígeno mientras que los iones Nb5+ se desplazan entre dos planos de oxígeno consecutivos, y las distancias entre los átomos cambian [X. Zhang et al., Materials Science and Engineering B vol. 120, pág. 21 (2005)]. La figura 3 muestra la estructura de LiNbO3 ferroeléctrica de dominios orientados de manera opuesta (polarización espontánea hacia arriba y hacia abajo). El LiNbO3 también presenta propiedades piroeléctricas, piezoeléctricas, fotorrefractivas y ópticas no lineales. El efecto piroeléctrico consiste en un cambio de la polarización espontánea con la temperatura y se caracteriza por el coeficiente piroeléctrico (pi) que, para el LiNbO3, es de aproximadamente 4x10-5 C/(m2K). En realidad, pi depende de la temperatura tal como se conoce para el intervalo por debajo de 300K
[Y.V. Shaldin, Crystallography Reports vol. 53, pág. 847 (2008)]. Cuando la temperatura cambia, los iones Li+ y Nb5+ se mueven con respecto a los planos de oxígeno. En particular, cuando la temperatura disminuye, los iones Li+ y Nb5+ se mueven adicionalmente hacia la cara c+, es decir Ps aumenta, y la cara c+ se vuelve más positiva mientras que la cara c- se vuelve más negativa. Sucede lo contrario cuando aumenta la temperatura. La carga latente de polarización creada induce campos eléctricos internos de aproximadamente 0,15 kV/(mm K), si el cambio en la temperatura es suficientemente rápido como para no permitir que lleguen cargas libres a la superficie y compensen así las cargas de polarización inducidas. Obsérvese que el efecto piroeléctrico produce la mayor densidad de carga en la cara del cristal cuando está cortado de modo que la cara es ortogonal al eje c, es decir el ángulo entre el eje ortogonal con respecto a la cara y el eje c es cero. Se ha investigado el efecto piroeléctrico a baja temperatura (<300K), mostrando que los campos eléctricos inducidos podrían generar una descarga disruptiva interna, proporcionando así carga libre adicional y diferentes situaciones de apantallamiento para la polarización espontánea
[S.L. Bravina et al., Ferroelectrics vol. 298, pág. 31 (2004)]. Cuando la variación de temperatura es suficientemente rápida y grande (por ejemplo 100K), los campos eléctricos internos, debido al efecto piroeléctrico, podrían alcanzar valores cercanos al campo coercitivo del cristal, es decir el campo necesario para cambiar los dominios (polarización espontánea). En ese caso, tal como sucede para la inversión de dominios aplicando campos eléctricos externos, el cambio de carga de polarización puede alcanzar valores de 1,44 C/m2.
El efecto piezoeléctrico consiste en un cambio de polarización espontánea debido a la aplicación de presión (tensión), por ejemplo a través de una deformación mecánica. Como es el caso del efecto piroeléctrico, se inducen cargas de polarización.
Obsérvese que cuando la polarización espontánea cambia, ya sea por ejemplo por la inversión piroeléctrica, piezoeléctrica o de dominios, se generan cargas latentes (de polarización) que crean campos eléctricos. Esto siempre va acompañado de la atracción o generación de cargas libres que compensan (neutralizan) las cargas latentes. La rapidez de la compensación de cargas (neutralización) depende del efecto y las condiciones externas. Por ejemplo, el procedimiento es lento a vacío en el caso del efecto piroeléctrico y es prácticamente instantáneo en el caso de la inversión de dominios aplicando campos eléctricos externos usando generadores de voltaje, que también proporcionan las cargas libres.
La superconductividad requiere interacciones intensas entre los portadores de carga y las vibraciones de la red cristalina (fonones). El LiNbO3 así como otros materiales ferroeléctricos portan modos de fonones ópticos que están asociados fuertemente al grado electrónico de libertad. Además, los iones litio ante cambios de temperatura se vuelven muy reactivos y móviles, aumentando así la posibilidad de intercalación en el grafeno. En presencia de fuertes campos eléctricos los cristales ABO3 podrían mostrar comportamiento superconductivo [K. Ueno et al., Nature Materials vol. 7, pág. 855 (2008)].
Otros cristales de ABO3 ferroeléctricos presentan propiedades similares al LiNbO3 y podrían usarse para el propósito de la invención. Éstos incluyen LiTaO3, LiIO3, BaxSr1-xTiO3, Pb(ZrxTi1-x)O3, donde x varía entre 0 y 1.
Una realización de la plataforma electrónica u optoelectrónica según la invención puede observarse en las figuras 4 a 6. Un conductor bidimensional que consiste en una lámina de átomos de carbono con un grosor de uno a 4 átomos se deposita sobre una cara de un cristal de niobato de litio preparado mediante medios conocidos con una cara cuyo eje ortogonal está orientado a hasta 35º con respecto al eje c del cristal. El procedimiento de fabricación de los dispositivos comienza con la limpieza de los sustratos de niobato de litio empleando un procedimiento ampliamente conocido en fabricación de semiconductores, tanto en húmedo (por ejemplo sonicación en acetona e isopropanol, limpieza en un jabón alcalino, disolución de NH4OH:H2O2:H2O) como en seco (por ejemplo limpieza por plasma con oxígeno). Tras la preparación del sustrato, puede depositarse grafeno mediante técnicas conocidas directamente encima de la superficie del sustrato o bien antes de la fabricación del contacto eléctrico o bien después de su deposición. Se depositan una o una pluralidad de capas de grosor de átomo (cada una de entre 0,3 y 0,4 nm de grosor). La fabricación de los contactos se realiza normalmente mediante técnicas de deposición física en fase de vapor (por ejemplo evaporación, bombardeo catódico, etc.) depositando por ejemplo una capa de cromo, titanio o níquel con un grosor que oscila entre 1 y 50 nm, y encima de ésta una capa de oro que tiene un grosor que oscila entre 10 y 1000 nm. La estructuración del grafeno para obtener la forma deseada, por ejemplo barras de Hall con dimensiones típicas como en la figura 6, se lleva a cabo depositando en primer lugar una capa muy fina de un material protector, normalmente una capa de aluminio que oscila entre 1 y 20 nm, de la manera más común 3 nm. Tras la deposición de la capa protectora, se define el patrón del dispositivo mediante fotolitografía de protección. Tras el desarrollo, el fotoprotector permanece encima del grafeno para protegerlo durante la siguiente etapa. El grafeno sin proteger elimina mediante ataque con ácido en un sistema de plasma de oxígeno de ataque con ácido con iones reactivos con técnicas ampliamente conocidas en la bibliografía y se obtienen las formas finales de la capa de grafeno. Tras esta etapa, el protector puede dejarse como protección en el caso de grafeno encima de los contactos o retirarse para seguir avanzando con la fabricación. Tras el procedimiento de fabricación, se inserta el chip en una cámara criogénica a vacío, en la que se conecta eléctricamente según el esquema en la figura 5. Obsérvese que la resistencia externa R en la figura es mucho mayor que la resistencia de la capa de grafeno entre los dos puntos en los que se mide el voltaje V. El valor típico de esa resistencia es de R= 1 Mohm con el fin de obtener una corriente del orden de I=1 !A cuando el generado se fija a 1 V. Para obtener el valor de resistencia del grafeno puede usarse una técnica de medición de sonda de cuatro puntos tal como se indica en la figura 5 y se calcula dividiendo el voltaje V medido por las sondas de voltaje entre la corriente I.
Una etapa importante con el fin de obtener un dispositivo de muy baja resistencia incluye un procedimiento, por ejemplo efecto piroeléctrico, efecto piezoeléctrico, inversión de dominios, que puede inducir cambios en la polarización espontánea, por tanto cargas latentes en la proximidad de la superficie del cristal y la capa de grafeno. Como consecuencia, se atraen cargas libres al interior de la capa de grafeno, lo que aumenta su conductividad eléctrica. Por ejemplo, el procedimiento puede basarse en el efecto piroeléctrico mediante un ciclo térmico aplicado en el criostato. En la figura 7 se muestra que un ciclo térmico apropiado (parte inferior) induce saltos en la resistencia medida hasta que ésta alcanza de manera estable un valor cercano a cero. El ciclo consiste al menos en una disminución de al menos 1K/min, desde temperatura ambiente hasta una temperatura inferior a la temperatura crítica, es decir la temperatura a la que se produce la transición del estado de resistencia eléctrica normal a baja, por ejemplo aproximadamente 170-180K en el presente caso. El ciclo también puede consistir en varios ciclos para inducir el estado de baja resistencia, con una temperatura que oscila entre un mínimo de 1K y un máximo de 600K, siendo normalmente de entre 10K y 300K. El número de ciclos necesarios para inducir el estado de baja resistencia puede oscilar entre 1 y 100 con un valor típico de 5, mientras que la tasa de variación de temperatura puede oscilar entre 1K/min y 15K/min, siendo normalmente de 5K/min. Obsérvese que tras alcanzarse, el estado de baja
resistencia se mantiene durante los ciclos posteriores. La figura 8 muestra que la plataforma diseñada alcanzó una resistencia eléctrica de prácticamente cero y el rango a lo largo del que se mantiene cerca de cero se reduce con el aumento de la temperatura. A una temperatura de aproximadamente 170-180K este rango se vuelve insignificante y de manera correspondiente la resistencia comienza a aumentar (desviándose de cero). La resistencia inicial antes 5 del ciclo térmico era de aproximadamente 2 kQ, tras el ciclo térmico en el estado de baja resistencia (por debajo de 170-180K) la resistencia pasa a ser inferior a 50 mQ y en el estado de resistencia normal (por encima de 170-180K) es siempre inferior a 20 Q. El último valor corresponde a un nivel de dopado (concentración de portadores) en grafeno del orden de 1014 cm-2. La resistencia real en el estado de baja resistencia puede ser incluso inferior a 50 mQ, que es la resolución actual del sistema. Es probable que esta baja resistencia esté mediada por las vibraciones
10 de la red cristalina (fonones) del material ferroeléctrico o las interacciones portador-fonón potenciadas en el propio grafeno, que se potencian por el aumento de la concentración de portadores.
En este texto, el término “comprende” y sus derivaciones (tal como “que comprende”, etc.) no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como que excluyen la posibilidad de que lo 15 que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc. adicionales.
Por otro lado, la invención obviamente no se limita a la(s) realización/realizaciones específica(s) descrita(s) en el presente documento, sino que también abarca cualquier variación que pueda considerar cualquier experto en la técnica (por ejemplo, en lo que respecta a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.),
20 dentro del alcance general de la invención tal como se define en las reivindicaciones.
Claims (7)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Plataforma electrónica que comprende un sustrato compuesto por un cristal de ABO3 (2) y al menos una capa de una lámina conductora bidimensional de átomos de carbono (1) de un grosor de entre uno y cuatro átomos, caracterizada porque la(s) capa(s) conductora(s) está(n) ubicada(s) encima de una cara del cristal cuyo eje ortogonal forma un ángulo de hasta 35º con el eje de polarización espontánea del cristal.
-
- 2.
- Plataforma electrónica según la reivindicación 1, en la que el sustrato está compuesto por al menos uno de los compuestos LiNbO3, LiTaO3, LiIO3, BaxSr1-xTiO3, Pb(ZrxTi1-x)O3, donde x varía entre 0 y 1.
-
- 3.
- Plataforma electrónica según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que la capa de grafeno está conformada como barras de Hall (4).
-
- 4.
- Chip que comprende la plataforma electrónica según las reivindicaciones anteriores y contactos de oro (3) de un grosor de 10 a 1000 nm.
-
- 5.
- Chip según la reivindicación 4, que comprende además una capa de cromo de un grosor de 1 a 50 nm entre la capa de carbono y los contactos de oro (3).
-
- 6.
- Procedimiento para fabricar una plataforma electrónica que comprende un sustrato de un cristal de la forma ABO3 y al menos una capa de una lámina conductora bidimensional de átomos de carbono (1) de un grosor de entre uno y cuatro átomos, comprendiendo el método las etapas de
- -
- depositar la(s) capa(s) conductora(s) encima de una cara del cristal cuyo eje ortogonal forma un ángulo de hasta 35º con el eje de polarización espontánea del cristal ,
- -
- someter el grafeno y el sustrato a un procedimiento de cambio de polarización espontánea.
OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCASN.º solicitud: 201231444ESPAÑAFecha de presentación de la solicitud: 18.09.2012Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA51 Int. Cl. : H01L41/00 (2013.01)DOCUMENTOS RELEVANTES- Categoría
- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
- A
- MISEIKIS, V., et al., Acoustically induced current flow in graphene, Applied Physics Letters, 2012, 100, 133105; columna 2. 1-6
- A
- STRIKHA M. V., Non-volatile memory and IR radiation modulators based upongraphene-onferroelectric substrate. A review, 2012, Ukr. J. Phys. Opt., V. 13, Suppl. 3 Sci. Horiz.; páginas S17, S19, S21 y S23. 1-6
- A
- US 2012116228 A1 (OKUBO TSUYOSHI) 10/05/2012, (resumen). 1-6
- A
- JP 2011178644 A (NAT INST FOR MATERIALS SCIENCE) 15/09/2011, Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE, [recuperado el ]. 1-6
- A
- CN 102544530 A (UNIV YANSHAN) 04/07/2012, Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE, [recuperado el ]. 1-6
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
- Fecha de realización del informe 17.01.2013
- Examinador M. d. García Poza Página 1/4
INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICANº de solicitud: 201231444Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H01L Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos debúsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, XPESP, HCAPLUSInforme del Estado de la Técnica Página 2/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 201231444Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 17.01.2013Declaración- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO
Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).Base de la Opinión.-La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.Informe del Estado de la Técnica Página 3/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 2012314441. Documentos considerados.-A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.- Documento
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
- D01
- MISEIKIS, V., et al., Acoustically induced current flow in graphene, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2012, 100, 133105.
- D02
- STRIKHA M. V., Non-volatile memory and IR radiation modulators based upongraphene-on-ferroelectric substrate. A review, 2012, Ukr. J. Phys. Opt., V. 13, Suppl. 3 Sci. Horiz.
- D03
- US 2012116228 A1 (OKUBO TSUYOSHI) 10.05.2012
- D04
- JP 2011178644 A (NAT INST FOR MATERIALS SCIENCE) 15.09.2011
- D05
- CN 102544530 A (UNIV YANSHAN) 04.07.2012
- 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaraciónEl objeto de la invención es una plataforma electrónica, su procedimiento de preparación y un chip que comprende dicha plataforma.El documento D01 divulga láminas de grafeno crecidas sobre niobato de litio.El documento D02 divulga láminas de grafeno crecidas sobre sustratos ferroeléctricos, principalmente PZT.El documento D03 divulga láminas de grafeno sobre sustratos de perovskita.Los documentos D04 y D05 divulgan grafeno crecido sobre un sustrato de niobato de litio.Ninguno de los documentos anteriormente citados divulga una plataforma electrónica que comprende un sustrato compuesto por un cristal de ABO3 y, al menos, una capa de una lámina conductora bidimensional de átomos de carbono, de un grosor entre uno y cuatro átomos, donde la capa conductora está sobre una cara del cristal cuyo eje ortogonal forma un ángulo de hasta 35º con el eje de polarización espontánea del cristal.Tampoco sería obvio para el experto en la materia obtener dicha plataforma a partir de la información divulgada en el estado de la técnica. Por lo tanto, se considera que el objeto de la invención, según se recoge en las reivindicaciones 1 a 6, presenta novedad y actividad inventiva (Arts. 6.1 y 8.1 LP).Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES201231444A ES2395949B1 (es) | 2012-09-18 | 2012-09-18 | Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo abo3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma |
PCT/EP2013/069351 WO2014044702A1 (en) | 2012-09-18 | 2013-09-18 | Electronic platform comprising an abo3 type crystal and graphene, method for its manufacture and chip comprising the same |
US14/429,332 US9548435B2 (en) | 2012-09-18 | 2013-09-18 | Electronic platform comprising an ABO3 type crystal and graphene, method for its manufacture and chip comprising the same |
EP13763256.8A EP2898550B1 (en) | 2012-09-18 | 2013-09-18 | Electronic platform comprising an abo3 type crystal and graphene, method for its manufacture and chip comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES201231444A ES2395949B1 (es) | 2012-09-18 | 2012-09-18 | Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo abo3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2395949A1 ES2395949A1 (es) | 2013-02-18 |
ES2395949B1 true ES2395949B1 (es) | 2013-12-26 |
Family
ID=47625613
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES201231444A Expired - Fee Related ES2395949B1 (es) | 2012-09-18 | 2012-09-18 | Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo abo3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9548435B2 (es) |
EP (1) | EP2898550B1 (es) |
ES (1) | ES2395949B1 (es) |
WO (1) | WO2014044702A1 (es) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
USD788819S1 (en) * | 2015-02-09 | 2017-06-06 | Lg Electronics Inc. | Virtual reality device |
US9793214B1 (en) | 2017-02-21 | 2017-10-17 | Texas Instruments Incorporated | Heterostructure interconnects for high frequency applications |
US10181521B2 (en) | 2017-02-21 | 2019-01-15 | Texas Instruments Incorporated | Graphene heterolayers for electronic applications |
CN109904050B (zh) * | 2019-03-13 | 2020-02-21 | 中山大学 | 一种铁电材料极化场调控二维原子晶体场发射的器件结构及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011010484A1 (ja) * | 2009-07-22 | 2011-01-27 | コニカミノルタエムジー株式会社 | 圧電体、超音波トランスデューサー、医療用超音波診断装置および非破壊超音波検査装置 |
JP5660425B2 (ja) * | 2010-03-04 | 2015-01-28 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | グラフェン膜のエピタキシャル成長方法 |
KR20130098884A (ko) * | 2010-05-05 | 2013-09-05 | 내셔널 유니버시티 오브 싱가포르 | 그래핀의 정공 도핑 |
KR101878734B1 (ko) * | 2011-06-24 | 2018-07-16 | 삼성전자주식회사 | 그래핀 층상 구조체, 그의 제조방법 및 이를 채용한 투명전극과 트랜지스터 |
CN102544530B (zh) * | 2012-01-16 | 2014-08-06 | 燕山大学 | 一种纳米钙钛矿/石墨烯复合材料及其制备方法 |
-
2012
- 2012-09-18 ES ES201231444A patent/ES2395949B1/es not_active Expired - Fee Related
-
2013
- 2013-09-18 WO PCT/EP2013/069351 patent/WO2014044702A1/en active Application Filing
- 2013-09-18 EP EP13763256.8A patent/EP2898550B1/en active Active
- 2013-09-18 US US14/429,332 patent/US9548435B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20150236234A1 (en) | 2015-08-20 |
US9548435B2 (en) | 2017-01-17 |
WO2014044702A1 (en) | 2014-03-27 |
ES2395949A1 (es) | 2013-02-18 |
EP2898550B1 (en) | 2018-02-21 |
EP2898550A1 (en) | 2015-07-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kim et al. | Application of ferroelectric materials for improving output power of energy harvesters | |
ES2395949B1 (es) | Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo abo3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma | |
Yang et al. | Flexible, temperature-resistant, and fatigue-free ferroelectric memory based on Bi (Fe0. 93Mn0. 05Ti0. 02) O3 thin film | |
Yun et al. | Giant ferroelectric polarization beyond 150 µC/cm2 in BiFeO3 thin film | |
Singh et al. | Large-area crystalline BaSnO3 membranes with high electron mobilities | |
Baek et al. | Epitaxial integration of perovskite-based multifunctional oxides on silicon | |
Ko et al. | High-stability transparent flexible energy storage based on PbZrO3/muscovite heterostructure | |
Garg et al. | Band gap opening in stanene induced by patterned B–N doping | |
Wang et al. | Chemical-pressure-modulated BaTiO3 thin films with large spontaneous polarization and high curie temperature | |
Yu et al. | The enhanced efficiency of graphene–silicon solar cells by electric field doping | |
Su et al. | Flexible, fatigue-free, and large-scale Bi3. 25La0. 75Ti3O12 ferroelectric memories | |
Aggarwal et al. | Local ferroelectricity in thermoelectric SnTe above room temperature driven by competing phonon instabilities and soft resonant bonding | |
Singh et al. | Dependence of ferroelectric properties on thickness of BiFeO3 thin films fabricated by chemical solution deposition | |
Li et al. | Ferroelectric thin films: performance modulation and application | |
Noor-A-Alam et al. | Switchable polarization in an unzipped graphene oxide monolayer | |
Kim et al. | High‐performance (Na0. 5K0. 5) NbO3 thin film piezoelectric energy Harvester | |
Zhang et al. | A self-powered photodetector based on polarization-driven in CH3NH3PbI3 single crystal (100) plane | |
Yan et al. | Large ferroelectric-polarization-modulated photovoltaic effects in bismuth layered multiferroic/semiconductor heterostructure devices | |
Ahn et al. | Multiferroic properties and ferroelectric domain structures of Yb-doped BiFeO3 thin films on glass substrates | |
Jiao et al. | Ferroelasticity mediated energy conversion in strained perovskite films | |
Li et al. | Intercorrelated Ferroelectricity and Bulk Photovoltaic Effect in Two-Dimensional Sn2P2S6 Semiconductor for Polarization-Sensitive Photodetection | |
Li et al. | Two-dimensional multifunctional materials from endohedral fullerenes | |
KR102023616B1 (ko) | 밴드갭을 갖는 그래핀 | |
Shin et al. | Ferroelectric properties and piezoresponse force micoroscopy study of Bi3TaTiO9 thin films | |
Han et al. | Enhanced Piezoelectricity of MAPbI3 by the Introduction of MXene and Its Utilization in Boosting High‐Performance Photodetectors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2395949 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20131226 |
|
FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20221027 |