PT103999A - Processo de utilização de papel a base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos - Google Patents
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Abstract
A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NA UTILIZAÇÃO DE MATERIAL CELULÓSICO À BASE DE FIBRAS CELULÓSICAS COMO SUPORTE FÍSICO E MEIO ARMAZENADOR OU INDUTOR DE ARMAZENAMENTO DE CARGAS ELÉCTRICAS EM TRANSÍSTORES DE EFEITO DE CAMPO SINGULARES OU COMPLEMENTARES INTEGRADOS COM MEMÓRIA AUTO-SUSTENTÁVEIS USANDO ÓXIDOS SEMICONDUTORES ACTIVOS OU SEMICONDUTORES ORGÂNICOS PARA O FABRICO DAS REGIÕES DE CANAL DRENO E FONTE, RESPECTIVAMENTE TIPO P OU TIPO N NAS FORMAS MONOLÍTICAS OU HÍBRIDAS.
Description
DESCRIÇÃO "PROCESSO DE UTILIZAÇÃO E CRIAÇÃO DE PAPEL À BASE DE FIBRAS CELULÓSICAS NATURAIS, FIBRAS SINTÉTICAS OU MISTAS COMO SUPORTE FÍSICO E MEIO ARMAZENADOR DE CARGAS ELÉCTRICAS EM TRANSÍSTORES DE EFEITO DE CAMPO COM MEMÓRIA AUTO-SUSTENTÁVEIS USANDO ÓXIDOS SEMICONDUTORES ACTIVOS"
Campo da Invenção A presente invenção refere-se, genericamente, à utilização de fibras celulósicas naturais, fibras sintéticas, ou mistas unidas tanto fisicamente como quimicamente por pontes de hidrogénio normalmente designado de papel nas suas diferentes formas e constituições, a funcionar simultaneamente como suporte fisico e elemento constituinte de transístores de efeito de campo com efeito de memória tipo n ou tipo p com a capacidade de armazenar cargas eléctricas e iónicas por um período superior a pelo menos 20 horas por estímulo de um campo eléctrico e de apagar essa informação quando um campo eléctrico de igual intensidade e oposto ao utilizado para gravar a informação for aplicado. Isto é, a utilização de papel como elemento activo constituinte de transístores de efeito de campo com a capacidade de memória em que a região de activa do canal (1) é constituída por um óxido multicomposto como por exemplo óxido de gálio, índio e zinco, óxido de índio e zinco, óxido de zinco e estanho, óxido de gálio, estanho e zinco, óxido de zinco, azoto e arsénio, óxido de prata e alumina ou óxido de cobre zinco e alumínio em que os componentes do composto variam entre 0,1% e 99,9%, o dieléctrico (2) é composto pelo volume do papel constituído por fibras celulósicas sobre as quais se deposita o 1 semicondutor com a capacidade de aumentarem desmesuradamente a capacidade de retenção de cargas eléctricas e iónicas a um estimulo de tensão na forma de degrau discreto e de as descarregar na sua quase totalidade (apagar a informação) imediatamente após a aplicação de um estimulo eléctrico com a mesma intensidade mas de sinal contrário ao utilizado para armazenar a informação e em que as regiões simétricas de fonte e dreno (5) são constituídas por uma liga metálica do tipo titânio e ouro ou titânio e aluminio ou crómio e aluminio ou prata e aluminio ou por um óxido semicondutor degenerado de elevada condutividade como o óxido de indio e zinco óxido de zinco e gálio, ou óxido de estanho, em proporções dos constituintes que variam entre os 0,1% e os 99,9% podendo as respectivas interfaces entre camadas conterem uma película com a espessura da nano escala para a adaptação das mesmas (4) e em que existe um eléctrodo porta (3) onde se aplica a tensão degrau para armazenamento ou apagamento das cargas eléctricas constituído por qualquer dos materiais que compõem as regiões de dreno ou fonte mas localizado na outra face da folha do papel. A presente invenção tem por base a utilização do papel de base celulósica e constituído por fibras quimicamente unidas por pontes de hidrogénio ou prensadas de diferentes espessuras (entre os 1 micrómetros e os 8000 micrómetros), simultaneamente como suporte fisico de dispositivos e seu constituinte integrante como elemento com a capacidade de proporcionar o isolamento eléctrico necessário entre um metal e um semicondutor não permitindo a circulação de cargas eléctricas através da fibra na ausência de qualquer campo eléctrico aplicado, mas sim a acumulação de cargas 2 eléctricas nas suas duas interfaces que fazem um contacto físico com o eléctrodo porta (3) e a região do canal (3) constituída por um óxido semicondutor activo multicomposto podendo conservar essas mesmas cargas após retirada do estímulo que lhe deu origem por um período que medeia entre a unidade ou as várias centenas de hora função do número de fibras existentes, sua distribuição, grau de compactação e forma de revestimento das suas superfícies directamente com os materiais que constituem respectivamente o eléctrodo porta ou a região de canal ou através de uma nanocamada de adaptação (4).
Na presente invenção o processamento do conjunto de materiais a depositar sobre o papel constituído por fibras celulósicas, daqui para diante designado simplesmente por papel é necessário que as tecnologias de fabrico desses filmes possam ocorrer a baixas temperaturas, nomeadamente a temperaturas inferiores a 150°C ou que quando recozidos, esta temperatura não seja ultrapassada.
Os transístores com efeito de memória assim produzidos podem ser utilizados na opto electrónica e electrónica nomeadamente na concessão de circuitos e sistemas com memória não volátil temporária, em circuitos registadores, circuitos lógicos, circuitos digitais, osciladores em anel, entre outros tendo a vantagem de o papel ser o próprio suporte físico, serem flexíveis e descartáveis.
Os dispositivos alvos da presente invenção podem usar uma camada de protecção ou de encapsulamento final como seja de fluoreto de magnésio e terem também como semicondutora activo constituinte da região de canal semicondutores 3 orgânicos como por exemplo, N,N'-difenil-N,N-bis[3-metilfenil]-1,l'bifenil-4,4'diamina; tris- 8hidroxiquinolinolato.
Na presente invenção os materiais a depositar sobre o papel de modo a constituir a criação do dispositivo final poderão ser efectuados utilizando tecnologias de deposição fisica, quimica e fisico-quimicas de filmes finos à escala atómica, reactivos e não reactivos, realizadas a temperaturas próximas da temperatura ambiente, nomeadamente: a pulverização catódica de corrente continua ou de radiofrequência; deposição térmica resistiva ou por canhão de electrões em vácuo; a decomposição quimica de vapores assistida ou não por plasma de radiofrequência ou UHF; o aquecimento em vácuo; o crescimento atómico epitaxial; a deposição por jacto de tinta; a emulsão quimica.
As técnicas referenciadas permitem o crescimento controlado de filmes com espessuras entre os 1 nm e os 50 ym, de materiais orgânicos e inorgânicos, sem danificar o papel ou o desempenho electrónico dos materiais depositados.
Fundamentos da invenção
Em termos de aplicações a utilização do papel com funções simultâneas de suporte fisico e componente de dispositivos electrónicos de efeito de campo com efeito de memória não 4 são conhecidas para além das suas aplicações como suporte ou dieléctrico passivo em condensadores eléctricos. Δ presente invenção implementa a utilização do papel de origem celulósica natural sintética ou mista para além das funções estáticas ou de mero substrato para outras funções activas e dinâmicas reabilitando assim o papel como uma solução de alta tecnologia para aplicações de baixo custo e, eventualmente, descartáveis.
Este desenvolvimento permite dar uma outra aplicabilidade ao papel para além de desenhar/escrever de forma estática.
Para a prossecução deste objectivo é necessário combinar tecnologias dispersas de modo a que os materiais depositados respeitem parâmetros de aderência, elasticidade mecânica, estabilidade química, e qualidade electrónica e óptica e adaptá-las a 3 níveis de requisitos: Processos de fabrico; Funcionalidade de materiais e dispositivos; Integração.
Nos processos de fabrico, prepara-se o papel de modo a que se determine o modo de distribuição de fibras e seu grau de compactação que determinam o valor da constante dieléctrica destas e assim da capacidade final do dispositivo onde este vai ser integrado. Para além disso é necessário preparar as duas superfícies das faces do papel de modo a receberem os depósitos dos materiais necessários para completar o dispositivo final. Este tratamento pode consistir num simples tratamento em plasma de oxigénio das superfícies do papel, seguida ou não da deposição de uma pequena película do tipo dieléctrico à nano escala função do grau de 5 compacticidade do papel e do efeito de armazenamento de carga que se pretender.
Para obter as características acima mencionadas, os materiais a depositarem sobre as faces do papel serão materiais orgânicos ou inorgânicos com caracteristicas de materiais metálicos, semicondutores e dieléctricos.
Os metais a utilizar e processados por uma das tecnologias anteriormente referidas como por exemplo prata, aluminio cobre, titânio, ouro, Crómio e platina, ou qualquer liga metálica resultante dos elementos anteriormente enunciados ou a sua deposição em multicamada, são utilizados no processamento de contactos eléctricos do chamado eléctrodo porta (3) ou no fabrico das regiões de dreno e fonte (5) a depositar sobre os óxidos multi-compostos semicondutores activos usados apresentando resistividades inferiores a 10~4Q.cm. Para além dos metais inclui-se também para a mesma função (3) e (5) quaisquer óxidos semicondutor degenerados tais como o óxido de estanho, óxido de zinco e índio, óxido de índio dopado com estanho, óxido de zinco dopado com gálio, óxido de zinco dopado com alumínio com resistividades inferiores a 10“3Q.cm ou semicondutor orgânico com caracteristicas condutoras de um metal como o P-dot.
Os semicondutores activos tipo n ou tipo p a utilizar no processamento da região de canal (1) poderão ser orgânicos ou inorgânicos iónicos activos. Em termos de materiais semicondutores orgânicos são de destacar os seguintes: tetraceno, pentaceno, Ftalocianina de cobre, Ftalocianina de óxido de titânio e Ftalocianina de zinco, entre outros, com resistividades que variam entre 1012-10“4 Ω. cm. 6
No caso dos semicondutores inorgânicos iónicos a utilizar como semicondutor activo na região do canal estes constarão principalmente de óxidos nanocompositos ou multi-compostos, como por exemplo o óxido de zinco, o óxido de estanho, óxido de indio, óxido de titânio, óxido de cobre, óxido de alumio, óxido de aluminio e cobre, óxido de niquel, óxido de ruténio, óxido de cádmio, óxido de tântalo, óxidos multi-compostos de zinco de indio, óxidos multi-compostos de gálio, indio e zinco, óxidos multi-compostos de gálio, zinco e estanho, óxidos multi-compostos de cobre e Aluminio, óxidos multi-compostos de prata e cobre, óxidos multi-compostos de titânio, cobre, zinco, estanho e prata, quaisquer que sejam as percentagens das composições dos elementos constituintes que podem variar por si entre 0,1% e 99,9% com resistividades que variam entre 1014 -10“4 Q.cm.
Em termos de materiais de muito elevada resistividade usados como material de passivação ou adaptação das interfaces (4) estes são, essencialmente, óxidos e compostos azotados com espessuras entre os 1 nm e os 1000 nm tais como o dióxido de silicio ou nitreto de silicio, ou fluoreto de magnésio, ou misturas de háfnia e alumina ou dióxido de silicio, ou material orgânico ou de um outro material simples ou em multicamada, como por exemplo o óxido de tântalo, a háfnia, a zircónia, o óxido de itrio, alumina ou compostos como háfnia/óxido de tântalo, alumina/tântalo, háfnia/alumina; dióxido de silicio/pentóxido de tântalo, tântalo itrio; zircónia/tântalo, pentóxido de tântalo/dióxido de silicio, alumina/óxido de titânio ou PMMA, ou POMA, ou mylar, todos processados a temperaturas que vão desde os -20°C até 150 °C, pretendendo-se que para além de altamente compactos e 7 com superfícies altamente planas as estruturas dos materiais sejam amorfas ou nanoestruturados. A selecção do material, ou dos materiais, mais adequados serão função do tempo de armazenamento de cargas pretendido e destes exibirem a diferença de função de trabalho desejada para com o material que constitui o canal, de forma a se conseguir o isolamento eléctrico desejado e em que a definição e geometria espacial deste constituinte do dispositivo se faz usando uma técnica litográfica normal, ou por máscara ou por técnica litográfica designada por lift-off.
Em termos de dispositivos pretende-se: 1. Fabricar estruturas metal-isolante-semicondutor (MIS) como condensadores com a capacidade de armazenarem cargas eléctricas durante tempos que medeiam entre a uma hora e as centenas de hora e em que o isolante/material indutor do processo de armazenamento de cargas eléctricas e simultaneamente suporte do dispositivo é a folha de papel contendo numa das faces o metal e na outra face o semicondutor activo orgânico ou inorgânico depositado usando qualquer das tecnologias anteriormente referidas ((1), (2), (3)); 2. Fabricar transístores de efeito de campo com efeito de memória não volátil de tipos n e p (figuras 1 a 3) em que o dieléctrico e elemento armazenador ou indutor de armazenamento de cargas é o papel composto de fibras compactas (2), o semicondutor activo que constitui a região do canal é um semicondutor inorgânico iónico ou semicondutor orgânico (1) e as regiões de dreno e fonte (5) são baseadas respectivamente num óxido altamente condutor ou num metal ou num semicondutor orgânico altamente condutor. Estes dispositivos têm uma constituição como se mostra na figura 2, em que o canal (1) é depositado directamente sobre o papel composto por aglomeração de fibras (2) ou sobre uma camada de adaptação de interfaces previamente depositada sobre o papel (4) conjuntamente com os filmes que constituem as regiões de dreno e fonte (5) e na outra face do papel (2) é depositado o eléctrodo porta (3) directamente ou através de uma camada de adaptação constituido por um metal ou um óxido altamente condutor ou um material orgânico altamente condutor tal como o tetraceno, pentaceno, Ftalocianina de cobre, Ftalocianina de óxido de titânio e Ftalocianina de zinco, entre outros. Estes dispositivos terão mobilidades superiores a 0.5 cm2V_1s_1, razões de estado f echado/estado aberto superiores a 104, tempos de armazenamento superiores a uma hora, tensões limiares de funcionamento positivas, para transístores tipo n e negativas para transístores tipo p e a funcionarem quer no modo de enriquecimento, quer no modo de empobrecimento, podendo estar ou não encapsulados (6). Isto é, para ligarem necessitam que se aplique tensão ou estão já no estado de ligado sem aplicação de qualquer tensão. Nestes dispositivos a escrita da informação (retenção de cargas eléctricas devida a electrões ou próximo do eléctrodo porta ou próximo da região de canal função do tipo de semicondutor do canal, respectivamente tipo p ou tipo n) faz-se aplicando uma tensão em valor absoluto superior à tensão limiar de funcionamento do dispositivo sendo o número de cargas armazenadas proporcionais ao valor da tensão aplicada que varia de forma continuada entre um valor mínimo igual à tensão 9 limiar e uma tensão máxima correspondente à região de saturação de cargas eléctricas na região activa do canal. Para apagar totalmente a informação armazenada (traduzida em cargas eléctricas e iónicas armazenadas) é necessário aplicar-se uma tensão de valor igual mas de sinal contrário ao da tensão utilizada para escrever (guardar cargas) a informação. Tal permite guardar no mesmo espaço informações distintas e escritas com potenciais distintos que o dispositivo é capaz de reconhecer de forma selectiva. 3. Fabricar dispositivos do tipo CMOS ou C-MESFET com capacidade de memória não volátil em que o material usado simultaneamente como substrato e dieléctrico com a capacidade de armazenar ou induzir o armazenamento de cargas eléctricas é o papel e os semicondutores tipo p e n complementares incorporados no dispositivo serão ou semicondutores inorgânicos iónicos ou semicondutores orgânicos, ou qualquer das suas combinações híbridas possíveis depositados sobre as fibras que constituem o papel como se mostra na figura 6. Isto é, um dispositivo baseado em dois transístores de efeito de campo um tipo p e outro tipo n com uma porta comum e em que na saída um dos seus terminais (fonte e dreno ou vice-versa) é comum e os outros dois terminais de saída são independentes e que por aplicação, por exemplo, de uma tensão positiva o transístor tipo n (1) fica no estado ligado e de escrita enquanto o transísto r tipo p (7) fica no estado de desligado ou de apagar a informação, acontecendo o inverso quando se aplica uma tensão negativa. 10 A presente invenção pretende gerar um novo conceito de aplicação para o papel de base celulósica e novos semicondutores inorgânicos iónicos e semicondutores orgânicos, singulares ou na forma hibrida para aplicações de memórias não voláteis para a qual não se conhece nenhuma patente no estado da técnica com as funcionalidades acima mencionadas. Isto é de estrutura de condensadores MIS para efeitos de aplicação em memórias não voláteis ou de transístores de efeito de campo com efeito de memória não volátil ou dispositivos CMOS com efeito de memória não volátil em que o papel é simultaneamente elemento de suporte e elemento activo que promove o armazenamento de cargas e as suas combinações com semicondutores inorgânicos à base de óxidos multi-compostos ou semicondutores orgânicos. A pesquisa efectuada em várias bases de dados sobre registos de patentes mostrou que nenhum dos processos, produtos e sistemas de funcionalidade do papel que são objecto da presente invenção forma já objecto de publicação ou de submissão de patente. 0 conceito da presente invenção é novo sendo que, embora a sua realização se baseie em tecnologias que por si só são conhecidas, a sua novidade está na sua integração específica e complexa a um novo conjunto de finalidades.
Antecedentes da invenção
De seguida, passamos a descrever o estado da técnica e patentes anteriores a esta invenção ou com a qual possam estar relacionadas. 11
Em termos de I&D ou de aplicação, desconhece-se qualquer actividade que esteja próxima ou corresponda ao objecto da presente invenção, nos seus aspectos de processo integrado, produtos e sistemas resultantes.
Da busca efectuada encontramos as seguintes patentes, próximas da presente invenção, mas que não contemplam a utilização de suporte celulósico para funções simultâneas de substrato e componente electrónico com efeitos de memória. 1. 0 pedido de patente nacional n.° 103951 de 2008 refere-se à utilização do papel de base celulósica ou bio-orgânica como suporte fisico para o processamento de dispositivos e sistemas da electrónica e não à sua integração no próprio fabrico e sustentação dos dispositivos e sistemas electrónicos com efeito de memória. Isto é, na patente nacional 103951 o papel é simples suporte fisico de dispositivos da electrónica que são produzidos por qualquer das tecnologias convencionais, usando semicondutores covalentes ou iónicos orgânicos e inorgânicos, incluindo as respectivas ligações metálicas. O único ponto de convergência da presente invenção com a anteriormente mencionada é o de que as tecnologias de processamento dos materiais em que se baseiam os dispositivos são as mesmas. Por outro lado o efeito de memória reivindicado na patente nacional n.° 103951 refere-se aos materiais electrocrómicos que se se depositam sobre o papel e que mantêm o seu estado de oxidação (oxidado ou reduzido) após se retirar o estimulo eléctrico que lhe deu origem. Efeito este que é reversível. Este efeito de memória nada tem a ver com a presente invenção em que o efeito de memória não volátil 12 está associado a características intrínsecas ao papel constituído por fibras celulósicas sobre as quais se depositam semicondutores activos. 2. A patente americana n° 3,617,372, de 1967, refere-se a papel electrocondutor, para realização de imagens electrostáticas, em que se actua na área de fabrico do papel em volume, fazendo com este contenha cadeias poliméricas do grupo hydroxyethyl e hydroxypropyl, de forma a adequar o papel às funções de captação de imagem, e proporcionar impressão sem contacto. Encontra-se caducada. Tinha a ver com o constituinte em volume do papel na captação e gravação de imagens, nada tendo a ver com o objecto da presente invenção. 3. A patente japonesa JP2003123559, "Forming method and its device for transparent conductive film, transparent conductive film and electronic paper" - visa a produção de filmes transparentes e condutivos a baixas temperaturas, nomeadamente de ITO (ou ZnO), pelo método da decomposição química de vapores assistido por um plasma usando as formas gasosas de iodeto de índio e cloreto de estanho (Nitrato de zinco, (Zn (N03)2.6H20)), numa atmosfera oxigenada, com ou sem um gás inerte do tipo Árgon, depositadas sobre membranas poliméricas de politeofeno ou outro material de base orgânico, visando a sua utilização no chamado papel electrónico (e-paper). Isto é, a possibilidade de reescrever caracteres alfanuméricos ou imagens num filme flexível baseado num óxido condutor transparente, depositado sobre um substrato orgânico. No caso concreto, pretende-se, por exemplo, que o óxido condutor e transparente sirva de eléctrodo para aplicação de campos 13 eléctricos para controlo de tonalidade de imagens, por exemplo as formadas a partir de orientação de cristais líquidos. Esta patente versa sobre o processo de obtenção dos filmes, o sistema utilizado e as características físico - mecânicas dos filmes obtidos, tais como a adesão. Isto é, a patente tem por objectivo a produção sobre substratos orgânicos de óxidos condutores a serem utilizados simplesmente como eléctrodos, não incluindo na patente a utilização do papel de origem celulósica simultaneamente como componente electrónico com capacidade de memória e sustento do dispositivo que incorpora. 4. A patente americana US 2006/0132894 - visa a deposição de óxidos condutores transparentes nas duas faces do papel electrónico, tendo por objectivo aplicações similares às descritas pela patente JP2003123559. Isto é, adaptação das tecnologias usadas em mostradores, nomeadamente cristal líquido para novos mostradores flexíveis produzidos sobre suportes orgânicos. Assim sendo, as reivindicações desta patente são na área dos equipamentos utilizados e de como processar e reter uma imagem em substratos flexíveis orgânicos, incluindo o controlo de partículas não condutivas colocadas no interior do próprio papel ou sob os óxidos produzidos, com a capacidade de alterarem o seu grau de transmitância, por aplicação de um campo eléctrico. Este não é campo de aplicação da presente invenção. 5. A patente canadiana CA682814 "Electrically conductive paper, and method of making it" - diz respeito ao processamento em volume de papel condutor, referindo-se nomeadamente à inclusão no volume deste de fibras condutoras revestidas a metal ou não, aleatoriamente dispersas numa matriz celulósica. Este não é o campo de 14 aplicação da presente invenção, que não passa pela manipulação da estrutura do papel. 6. A patente americana US2003/0192664A1 "Use of vinylamine polymers with ionic, cross-linked polymeric microbeads in paper making" refere-se a um método de fabrico de papel e seus constituintes, nomeadamente no uso de aditivos iónicos orgânicos de modo a facilitar a drenagem e retenção de liquidos no papel. Esta patente nada tem a ver com o objecto da presente invenção. 7. A patente americana US2004/0249055A1, "Paper coating latex using ionic monomer", refere-se a um revestimento de papel contendo monómeros iónicos co-poliméricos ou a inclusão destes mesmos monómeros no volume do papel de modo a optimizar as propriedades de estabilidade e de retenção de fluidos, que não constituem objecto da presente invenção. 15 9. A patente canadiana CA898082 "Polymeric quaternary derivatives of 4-vinyl pyridine in electrically conductive paper" - visa a utilização de polímeros quaternários capazes de receberem revestimentos fotocondutores capazes de produzirem papel de cópia electrostático. Este não é o campo de aplicação da presente invenção. 10. A patente canadiana CA922140 "Electro-conductive paper" - contempla o papel electrocondutor com polímeros como pelo menos 75% da sua constituição, útil nas técnicas de reprodução de imagens. A patente protege todas as composições contendo estruturas radicais do tipo:
R
I -CH2-C- r1 I / 0=C-O-A-N+ ·Χ“ I \ R3 R2
Este não é campo de aplicação da presente invenção.
Do exposto, conclui-se que, em termos de produto e processos mencionados na presente invenção não existe, que seja do nosso conhecimento, qualquer pedido de patente ou resultado publicado.
As patentes e referências referidas, correspondem ao estado da técnica da área em que a presente invenção se insere, com a qual existem alguns pontos periféricos de contacto, em termos de processos e materiais usados como condutores, em superfícies plastificadas e o facto dos processos, em alguns casos, se efectuarem também à temperatura ambiente. 16
No entanto, desconhece-se a existência de trabalho e patentes ou pedidos de patentes técnicas que foquem a utilização do papel de origem celulósica simultaneamente como componente de dispositivos activos com efeito de memória e sustentáculo fisico desses dispositivos, seus derivados ou compostos. A presente invenção consiste numa integração de diferentes tecnologias, visando a criação de dispositivos electrónicos de efeito de campo auto sustentáveis com efeito de memória não volátil constituídos por papel celulósico, seus compostos ou derivados que determinam a funcionalidade final desses produtos e sistemas com a capacidade de isolar electricamente um eléctrodo porta constituído por um filme com características metálicas ao qual se aplica a tensão de controlo ou escrita da informação de um outro eléctrodo semicondutor designado de canal onde se induzem as cargas a serem retidas ou retiradas e cuja circulação é função do modo de polarização efectuada sobre dois terminais simétricos designados respectivamente de fonte e dreno que se depositam sobre este último semicondutor e em que o apagar da informação armazenada requer a aplicação de uma tensão com o mesmo valor absoluto mas de sinal contrário o que lhe confere selectividade na escrita e no apagar da informação. Desconhece-se, na forma laboratorial tentada ou realizada, a realização destes tipos de dispositivos. Este é o objecto central da presente invenção, na qual resulta um dispositivo híbrido que produz efeitos novos e acrescenta um valor novo na aplicação da invenção, que não está presente nos sistemas compreendidos no estado da técnica. 17
Breve descrição dos desenhos
Figura 1. Vista esquemática da estrutura básica dum condensador constituido por Metal, Isolante e Semicondutor desencapsulado ou designado de condensador MIS, de acordo com a legenda: 1- Semicondutor activo tipo p ou n orgânico ou inorgânico iónico a depositar sobre as fibras; 2- Papel constituido por fibras de origem celulósica natural ou sintética ou mistas ligadas quimica ou mecanicamente entre si a funcionar simultaneamente como dieléctrico armazenador de cargas e suporte fisico do componente electrónico; 3- Eléctrodo porta, a funcionar como contacto eléctrico que serve também de eléctrodo, feito de um metal ou liga metálica ou deposição sucessiva de dois metais ou de um óxido semicondutor de elevada condutividade ou de um material orgânico de elevada condutividade. 4- Camada de passivação ou adaptação das interfaces a existir num ou nas duas interfaces do papel.
Figura 2. Vista esquemática dum transístor de efeito de campo tipo n ou p com efeito de memória não volátil com ou sem camada de adaptação dos materiais depositados e as duas superfícies do papel usado como dieléctrico com efeito de memória e em que as regiões de dreno e fonte são depositadas sobre o semicondutor activo, de acordo com a legenda: 5- Região de Fonte e ou Dreno do transístor de efeito de campo constituída por um semicondutor orgânico de elevada condutividade como o P-dot ou por um Metal ou óxido semicondutor singular, compósito ou multi composto de elevada condutividade. 18 6- Camada de encapsulamento, passivação de superfície.
Figura 3. Vista esquemática dum dispositivo de efeito de campo CMOS com efeito de memória não volátil desencapsulado com camadas de adaptação entre os materiais depositados e as duas superfícies do papel usado como dieléctrico e em que os semicondutores activos p e n ou vice-versa se sobrepõem às regiões de dreno e fonte, de acordo com a legenda: 7- Região de canal cujo tipo de semicondutor é complementar do canal do semicondutor correspondente à legenda 1 que caso seja η o complementar será tipo p ou vice-versa.
Descrição detalhada da implementação preferencial da presente invenção A presente invenção consiste na utilização de papel de origem celulósica ou compostos celulósicos de diferentes gramagens e composições na criação de memórias não voláteis em que o o papel e suas fibras actuam simultaneamente como suporte físico de dispositivos singulares ou integrados da electrónica e opto electrónica e como dieléctrico capaz de reter ou induzir cargas eléctricas e iónicas em dispositivos de efeito de campo baseados em óxidos semicondutores multi-compostos ou semicondutores orgânicos na forma singular ou híbrida para o fabrico do eléctrodo porta, região do canal, regiões de dreno na forma simples do tipo p ou n ou na forma complementar do tipo pena funcionarem nos modos de enriquecimento ou de empobrecimento e adequação de processos de deposição compatíveis com este o processo, de modo a não danificar o 19 papel. Para este efeito todos os processos realizam-se a temperaturas abaixo dos 150 °C, especialmente os que ocorrem sobre a superfície do papel, podendo mesmo ser realizados a temperaturas tão baixas quanto os menos 20° centígrados.
Pelo exposto, a presente invenção apresenta um conjunto de funções e técnicas que através de novos processos inovadores, permitem novos produtos e sistemas que envolvem o papel na dupla função de suporte físico e componente electrónico capaz de reter ou induzir a retenção de cargas eléctricas em dispositivos de efeito de campo com efeito de memória não volátil tipo p ou tipo n simples ou complementares. Isto é, a existência simultânea de dois dispositivos um tipo p e outro tipo n a funcionarem sob a acção do mesmo eléctrodo porta mas com regiões de canais distintas (uma à base de um semicondutor tipo p e outro à base de um semicondutor tipo n) e uma região de dreno e fonte ou vice-versa comuns e uma fonte e um dreno separados, associados a cada uma das regiões. A - Condensador MIS com capacidade de armazenamento de cargas eléctricas A figura 1 é uma ilustração de um condensador de tipo Metal Isolante Semicondutor, designado de estrutura MIS em que as interfaces das duas superfícies do papel (2) podem ou não ser passivadas por tratamento específico num plasma de oxigénio ou pela deposição de uma película altamente isolante com dimensões na ordem dos nanómetros (4) . Na figura 1 o eléctrodo porta (3) pode ser feito á base de um metal ou liga metálica ou um óxido semicondutor degenerado. Em qualquer dos casos o semicondutor activo poderá se um semicondutor orgânico ou inorgânico iónico (1) depositado 20 sobre as fibras que constituem o papel. Qualquer dos componentes que constitui o dispositivo pode ser fabricado por uma técnica de deposição, fisica, ou fisica e química ou química, como a seguir se descrimina. 0 princípio de funcionamento do dispositivo baseia-se no chamado efeito de campo em que as cargas colectadas e/ou armazenadas no semicondutor são função do campo eléctrico aplicado ao eléctrodo porta. A tensão necessária aplicar para guardar a informação (cargas eléctricas) é superior à tensão mínima necessária para se induzir cargas eléctricas através do papel ao semicondutor, podendo esse valor variar em valor absoluto entre 0,2 Volts e 100 Volts, função essencialmente da espessura do papel e do grau de compactação das fibras celulósicas. O tempo de armazenamento ou retenção das cargas eléctricas pode variar entre os 30 minutos e as várias centenas de horas função do campo eléctrico aplicado, espessura do papel, número de fibras celulósicas que constituem o papel resistividade do semicondutor utilizado, das superfícies do papel serem ou não passivadas e do dispositivo ter sido ou não encapsulado. B - Processo de fabrico de condensador MIS com capacidade de armazenamento de cargas eléctricas
Como primeira etapa, independentemente do tipo e gramagem do papel utilizado é necessário preparar e condicionar a superfície, tendo em conta a sua textura e o pretender-se fabricar filmes contínuos. Tal é conseguido através de: a) Ou sujeição das duas superfícies do papel a tratamento por UV, durante 10 minutos; b) Ou sujeição das duas superfícies do papel a um plasma rádio frequência ou de corrente continua em atmosfera 21 de Oxigénio ou Árgon ou Azoto ou Xenón ou misturas de Azoto e hidrogénio até percentagens de 95:5 a pressões entre 1-10’2 Pa por 5-15 minutos, usando densidades de potência entre 0.01-3 Wcm“2; c) Ou depositar uma película de passivação - que pode ser um cerâmico nanocompósito ou multicomposto azotado ou oxidado - com espessura variando entre 2-200nm; d) Ou limpeza da superfície com jacto de azoto/hidrogénio, como forma de remover nanopartículas libertas e activar a superfície (sendo essa a função do hidrogénio contido na mistura com azoto).
Uma vez preparada a superfície, esta é transferida para o meio onde se irão processar as diferentes etapas, de acordo com o que pretenda realizar. i) Para o processamento de eléctrodo metálico, representado na figura 1 com a referência (3) este é constituído por um depósito de um material inorgânico metálico ou óxido condutor ou material orgânico como o P-dot com resistividades eléctricas inferiores a 10“ 3Q.cm produzidos por qualquer das técnicas que a seguir se indica: I) Evaporação térmica em vácuo, resistiva ou por canhão de electrões, usando depressões inferiores a 10“3 Pa e sistemas em que a temperatura do substrato é controlada por arrefecimento desde os -20°C a 150 °C. As espessuras mínimas a usar são da ordem dos 10 nm. Este processo pode ser implementado e efectuado de forma contínua (rolo a rolo) e as distâncias substrato filamento aquecido ou cadinho é função das dimensões da folha de 22 papel a usar, podendo variar preferencialmente entre os 25 centímetros e os 50 centímetros. II) Pulverização catódica (corrente continua ou rádio frequência ultra elevada respectivamente designados por DC, RF ou UHF) , ASSISTIDA POR MAGNETRÃO, efectuada em atmosfera de árgon, com ou sem adição de oxigénio durante o processo de fabrico e em que a temperatura do substrato é controlada (arrefecimento) a depressões entre os 1 Pa e os 10_1 Pa e em que as distâncias substrato alvo metálico variam entre os 5cm e os 15cm, em função das dimensões do alvo a utilizar e das dimensões da folha de papel a depositar. III) Impressão a jacto de tinta a partir de uma solução química contende componentes orgânicos ou inorgânicos que se pretendam depositar e em que as espessuras mínimas dos materiais depositados são de 10 nm. IV) Por emulsão química de dispersão rápida de uma solução química contendo os elementos a depositar com espessuras até 400 nm. ii) Para o processamento do semicondutor activo orgânico ou inorgânico iónico referenciados com o número 1 nas figuras 1 e 2 e a depositar sobre as fibras que constituem o papel através de uma das seguintes técnicas: V) Pulverização catódica (DC ou RF ou UHF), assistida por magnetrão, usando atmosfera reactiva oxidante e substratos metálicos ou cerâmicos, com diferentes composições e graus de pureza. As depressões a usar variam entre os 1 Pa e os 10’1 Pa e a pressão parcial de 23 oxigénio varia entre os IO”4 Pa e os 10”2 Pa; e em que as distâncias substrato alvo variam entre os 5cm e os 15cm, em função das dimensões do alvo a utilizar e das dimensões da folha de papel a depositar. As espessuras a utilizar são da ordem dos 10-400 nm. VI) Evaporação térmica em vácuo, resistiva ou por canhão de electrões, a partir de materiais cerâmicos/óxidos contendo os elementos metálicos a depositar e cujo processo decorre a depressões inferiores a 10”3 Pa, seguindo os procedimentos já anteriormente descritos para esta técnica. VII) Decomposição química de vapores assistida por plasma de rádio frequência ou UHF. Neste caso, os elementos a depositar encontram-se na forma gasosa usando-se no processo depressões da ordem dos 10-200 Pa, densidades de potência entre os 0.03-2 Wcm”2 e frequências de excitação entre os 13.56 MHz e os 60 MHz. As espessuras úteis do semicondutor activo são da ordem dos 10-800 nm. VIII) Impressão a jacto de tinta a partir de uma solução química contende componentes orgânicos ou inorgânicos, em que as espessuras mínimas dos materiais depositados são de 10-500 nm. IX) Por dispersão rápida de uma solução química contendo os elementos a depositar e em que as espessuras dos materiais depositados serão de 10-500 nm. iii) Para o processamento da camada de adaptação referenciada na figura 1 com o número 4 ou a camada de encapsulamento referenciada com o número 6 o processo de 24 fabrico a utilizar é o indicado no item ii) , usando o mesmo tipo de materiais mas agora exibindo resistividades eléctricas pelo menos 3 ordens superiores à do semicondutor activo qualquer que ele seja. C - Processamento e criação de transístores de efeito de campo com efeito de memória não volátil
Nesta secção descreve-se o método de processamento de transístores de efeito de campo com efeito de memória não volátil tipo n ou tipo p encapsulados ou não encapsulados com ou sem camada de adaptação nas interfaces do papel como a titulo de exemplo se mostra na figuras 2 a trabalharem no regime de enriquecimento ou de depleção, isto é precisam ou não precisarem de aplicação de uma tensão ao eléctrodo porta para estarem no estado de ligado ou de guardar a informação. A função do papel associado ao dispositivo de efeito de campo é a de permitir garantir o isolamento eléctrico necessário ao processo de indução de cargas eléctricas na interface papel semicondutor e armazená-las isto é reter cargas na ausência de qualquer tensão porta aplicada até que uma outra tensão de igual intensidade mas de sinal contrário for de novo aplicada ao eléctrodo porta. Caso se aplique uma outra tensão que não seja a devida para apagar a informação guardada ou o processo de acumulação de cargas eléctricas aumenta (caso se apliquem no eléctrodo porta tensões do mesmo sinal da utilizada para guardar a informação de intensidade superiores ou inferiores) ou diminui (caso se aplique ao eléctrodo porta tensões de sinal contrário à utilizada para guardar as cargas eléctricas mas agora de valor absoluto inferior à intensidade da tensão aplicada ao eléctrodo porta para guardar as cargas eléctricas) ou extingue-se (caso se aplique ao eléctrodo porta tensões de sinal contrário à 25 utilizada para guardar as cargas eléctricas mas agora de valor absoluto igual ou superior à intensidade da tensão aplicada ao eléctrodo porta para guardar as cargas eléctricas) . A figura 2 é uma vista esquemática de um transístor de efeito de campo com efeito de memória onde também se inclui a passivação ou adaptação das interfaces.
Os materiais a usar como semicondutor iónico activo tipo n ou tipo p para o processamento da região de canal a depositar sobre as fibras, referenciados com o número 1 na figura 2 são essencialmente multicompostos tais como óxido de zinco, o óxido de zinco ligado a alumínio, o óxido de estanho ligado a flúor, ou óxido de cobre, ou óxido de cádmio ou óxido de prata, ou óxido de prata, ou ligas compostas de índio e molibdénio, ou ligas compostas de índio e estanho, ou ligas compostas de índio e zinco, ou ligas compostas de zinco e gálio, ou ligas compostas de índio zinco e gálio, ou ligas compostas de índio zinco e prata, ou ligas compostas de índio zinco e zircónia, ou ligas compostas de índio zinco e cobre, ou ligas compostas de índio zinco e cádmio, ou ligas compostas de índio zinco e estanho, ou ligas compostas de gálio zinco e estanho, ou ligas compostas de índio zinco e molibdénio, ou ligas compostas de hâfnia ou titânia ou alumina ou óxido e tântalo em composições que podem variar de 0,1% a 99,9% dos seus constituintes, exibindo resistividades entre 1011 -10°Q.cm, função da composição e da pressão parcial de oxigénio usada durante o processo de fabrico. As tecnologias a utilizar são todas as descritas em A ii). As espessuras úteis das regiões de canal variam entre 1-200 nm. 26
Para o processamento das regiões de dreno e fonte referenciadas com o número 5 na figura 2 usam-se os mesmos semicondutores anteriormente referenciados mas agora com resistividades menores, entre 10° -10_6Q.cm, ou metais com ou ligas metálicas ou estruturas de multicamada envolvendo os seguintes materiais: titânio, alumínio, ouro, prata, crómio, ou molibdénio apresentando resistividades menores 5 Q.cm, usando as mesmas tecnologias já anteriormente referenciadas. As espessuras úteis das regiões de dreno e fonte variam entre 1-300 nm.
As camadas de adaptação ou passivação ou encapsulamento a usar são as mesmas que as já referidas no item A. D - Processamento de dispositivos CMOS de memória não volátil O exemplo a dar-se consiste na utilização em simultâneo de dois transístores de efeito de campo, um tipo n a funcionar no modo de enriquecimento, como se mostra na referência (1) na figuras 3, e outro tipo -p a funcionar como carga dinâmica, a funcionar também no modo de enriquecimento ou um transístor tipo n a funcionar no modo de depleção indicados pela referência (7) , fabricados de acordo com o já descrito com ou sem camada de passivação das duas ou uma das superfícies da folha de papel e que corresponde ao fabrico de um dispositivo designado por C-MOS de memória não volátil. Neste tipo de circuito os dois transístores nunca estão simultaneamente no estado ligado, permitindo a sua utilização na concepção de circuitos digitais e na concepção de portas lógicas com a capacidade de armazenarem cargas eléctricas. O processo de fabrico a utilizar e as espessuras dos seus diferentes constituintes são as já 27 mencionadas para o caso do fabrico do transistor de efeito de campo com efeito de memória não volátil.
Deve ficar claro que as concretizações dos presentes dispositivos e circuitos semicondutores e suas aplicações descritas, anteriormente, são simplesmente possiveis exemplos de implementação, meramente estabelecidos para um claro entendimento dos principios da invenção. Podem ser efectuadas variações e modificações às concretizações referidas anteriormente sem que se desviem substancialmente do espirito e principio da invenção. Todas essas modificações e variações devem ser incluidas no âmbito desta divulgação e presente invenção e protegidas pelas reivindicações da invenção.
Aplicações
As principais indústrias que, actualmente, podem vir a utilizar os dispositivos e circuitos integrados resultantes da utilização desta inovação são toda a indústria electrónica, a indústria de semicondutores, a indústria de memórias e afim, a indústria de circuitos lógicos, a indústria de instrumentação e sensores, a indústria médica e de biotecnologia, a indústria opto electrónica, a indústria da micro e nanoelectrónica. Os dispositivos baseados nesta invenção são para aplicação directa em toda a electrónica baseada em dispositivos de efeito de campo com efeito de memória, podendo incluir os circuitos de condução e armazenamento de informação (registos); concepção de circuitos lógicos, nomeadamente circuitos do tipo buffer e contadores; condensadores com elevada capacidade de retenção de cargas e outros. 28 0 presente invento tem como objectivo desenvolver e criar um produto ou produtos usando técnicas de processamento simples e baratas convencionais, o que implica a utilização de técnicas de processamento que se coadunem ao processamento de filmes finos sobre as duas faces do papel de origem celulósica a baixas temperaturas levando à criação do paper-e que dará lugar à electrónica verde do futuro.
Por outro lado, os processos tecnológicos de fabrico requeridos são compatíveis com os já existentes na indústria electrónica, ou opto electrónica ou de semicondutores, nomeadamente os processos de pulverização catódica para grandes áreas, ou de evaporação térmica ou de sol-gel ou de jacto de tinta, não necessitando por conseguinte, de investimentos elevados, em termos de pesquisa e adequação de tecnologia.
As vantagens técnicas proporcionadas com a presente invenção permitem a utilização activa do papel de forma dinâmica e não só estática servindo simultaneamente como substrato e componente activo dos dispositivos electrónicos com capacidade de memória não volátil que sobre este se produzem.
Embora a implementação preferencial tenha sido descrita em detalhe, deve ser entendido que diversas variações, substituições e alterações podem ser introduzidas, sem se afastarem do âmbito da presente invenção, mesmo que todas as vantagens acima identificadas não estejam presentes. As concretizações aqui apresentadas ilustram a presente invenção que pode ser implementada e incorporada numa variedade de formas diferentes, que se enquadram no âmbito 29 da mesma. Também as técnicas, construções, elementos, e processos descritos e ilustrados na implementação preferencial como distintos ou separados, podem ser combinados ou integrados com outras técnicas, construções, elementos, ou processos, sem se afastarem do âmbito da invenção. Embora a presente invenção tenha sido descrita em diversas concretizações, estas podem ser ainda modificadas, de acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção. Outros exemplos de variações, substituições, e alterações são facilmente determináveis por aqueles versados na técnica e poderiam ser introduzidos sem se afastar do âmbito da presente invenção. A presente invenção descreve ainda as seguintes realizações preferenciais: 1. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, caracterizado por: a deposição dos materiais que constituem o dispositivo ou circuito electrónico activo integrado se efectuar directamente e modularmente sobre as duas superfícies do papel de origem celulósica ou bio-orgânica; os elementos depositados poderem ser de origem orgânica ou inorgânica com caracteristicas eléctricas de um metal ou semicondutor ou de isolante em estruturas singulares, compostas ou de multicamada; a impressão ser realizada a temperaturas inferiores ao ambiente; os dispositivos ou circuitos depositados poderem ser recozidos ate temperaturas da ordem dos 150 °C. 2. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de 30 cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1, caracterizado por a deposição dos seus constituintes se efectuar por evaporação térmica resistiva ou por canhão de electrões em vacuo ou por pulverização catódica de corrente continua ou radio frequência ou ultra alta frequência assistida ou não por magnetrão. 3. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1, caracterizado por a deposição dos seus constituintes se efectuar por decomposição química de vapores assistida por radio frequência ou ultra alta frequência. 4. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1, caracterizado por a deposição dos seus constituintes se efectuar por impressão a jacto de tinta. 5. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1, caracterizado por a deposição dos seus constituintes se efectuar por emulsão química. 31 6. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transistores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1, caracterizado por a deposição dos seus constituintes se efectuar por decomposição química de vapores. 7. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1 a 6, caracterizado por o fabrico dos dispositivos ou circuitos integrados finais poder englobar mais do que uma das tecnologias de deposição. 8. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 7, caracterizado por os dispositivos ou circuitos integrados finais serem constituídos por filmes finos. 9. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1, 7 e 8, por possuírem estruturas do tipo eléctrodo metálico-papel-semicondutor (3)-(2)-(1), em que o papel de origem celulósica funciona simultaneamente como dieléctrico e elemento capaz de permitir induzir e armazenar cargas 32 eléctricos no semicondutor ou na interface semicondutor papel. 10. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 9, as duas superfícies do papel serem ou não passivadas ou adaptadas (4) antes de se depositar qualquer outro elemento constituinte do dispositivo final. 11. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 10, os materiais de passivaçao ou adaptação das superfícies poderem ser materiais dieléctricos de elevada resistividade eléctrica. 12. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 11, os materiais dieléctricos a utilizar poderem ser orgânicos ou inorgânicos com espessuras até 100 nm. 13. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 1 e 12, 33 materiais dieléctricos a utilizar poderem ser processados de acordo com quaisquer dos processos constantes nas realizações preferenciais de 2 a 8. 14. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 9 a 13, o eléctrodo metálico poder ser constituído por um condutor metálico inorqânico ou orgânico ou óxido semicondutor de elevada condutividade, fabricado de acordo com quaisquer dos processos constantes nas realizações preferenciais 2 a 8 com espessuras ate 10 ym. 15. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 9 a 13, o contacto semicondutor poder ser constituído por um material inorgânico iónico singular ou composto ou orgânico, fabricados de acordo com quaisquer dos processos constantes nas realizações preferenciais 2 a 8 com espessuras que variam entre os 2 nm e os 20 ym. 16. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 9, o dispositivo final poder ou nao ser encapsulado (6) por um dieléctrico produzido como descrito pela realização preferencial 13 com espessuras ate 10 ym. 34 17. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 9 a 16, os dispositivos terem a forma de um transístor tipo n (ou p) capazes de guardarem cargas eléctricas quando sujeitas a uma tensão degrau positiva (ou negativa) e de a manterem apos a retirada a aplicação dessa tensão. 18. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 17, a informação guardada pode ser totalmente removida ou apagada desde que se aplique uma tensão de sinal contrario e de intensidade igual ou superior a utilizada para guardar a mesma informação. 19. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 17 e 18, a informação guardada pode ser continuamente acumulada por aplicação de tensões ao eléctrodo porta, com o mesmo sinal da tensão utilizada para guardar a informação. 20. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 18, a 35 informação guardada não será totalmente apagada se a tensão aplicada de sinal contrario tiver um valor em modulo inferior a tensão utilizada para escrever a informação. 21. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 17 a 20, para os dispositivos funcionarem como transístores de efeito de campo com efeito de memória, sobre a camada semicondutora dos dispositivos serem depositados dois materiais de elevada condutividade perfeitamente iguais em termos de condutividade e separados entre si de distâncias que podem ir dos 10 nm a 500 ym, designados respectivamente de região de dreno e de região de fonte (5). 22. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 21, as regiões de dreno serem constituídas por um semicondutor orgânico ou inorgânico ionico com condutividades de pelo menos três ordens de grandeza superior a do material semicondutor sobre as quais foram depositadas que se passa a designar de região de canal (1) com espessuras que variam entre os 10 nm e os 5000 nm. 23. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com as realizações preferenciais 9 e 17, 36 o semicondutor ser substituído por dois semicondutores de natureza electrónica complementar justapostos e separados entre si de distâncias entre os 50 nm e os 10 ym. 24. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 23, os semicondutores orgânicos ou inorgânicos de natureza electrónica complementar serão do tipo p (semicondutor com deficiência de electrões livres) e n (semicondutor com excesso de electrões livres) ou vice-versa (1) e (7). 25. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com as realizações preferenciais 23 e 24, os dois semicondutores sao ligados entre si pelo mesmo material a usar respectivamente como dreno e fonte de cada um deles, funcionando como eléctrodo comum. 26. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte físico e meio armazenador de cargas eléctricas em transístores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com a realização preferencial 23, o dispositivo possuir mais dois terminais independentes depositados e idênticos electronicamente em cada um dos extremos das regiões de canal complementares, designados de fonte ou dreno ou Vice-versa (1), (2), (3), (4), (5), (7). 37 27. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transistores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com as realizações preferenciais 23 a 26, no dispositivo complementar os dois transistores nunca estão simultaneamente no estado ligado. 28. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transistores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com as realizações preferenciais 27, no dispositivo complementar a informação armazenada so e apagada por aplicação de uma tensão de sinal contrario e com a mesma intensidade a utilizada para guardar a informação no eléctrodo porta. 29. Processo de utilização de papel à base de fibras celulósicas como suporte fisico e meio armazenador de cargas eléctricas em transistores de efeito de campo com memória auto-sustentáveis usando óxidos semicondutores activos, de acordo com as realizações preferenciais 1 a 28, os dispositivos eléctricos e electrónicos a processar poderão ter a forma de estrutura continua ou de fios singulares ou interligados ou de forma hibrida.
Lisboa, 16 de Agosto de 2012 38
Claims (35)
- REIVINDICAÇÕES 1. Processo de fabrico de dispositivo electrónico ou opto-electrónico activo semicondutor de efeito de campo com memória não volátil caracterizado por compreender os passos de: a. incorporar fibras celulósicas naturais, fibras sintéticas ou mistas, ligadas entre si fisica e quimicamente, designadas como papel (2), como dieléctrico do referido dispositivo com espessura ente 1 e 8000 pm; b. depositar um semicondutor (1) como elemento activo do dispositivo, sobre o referido papel (2), numa região designada por canal com espessura entre 10 e 800nm; c. depositar subsequentemente eléctrodos de porta (3), de dreno e fonte (5).
- 2. Processo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o referido papel (2) ser o substrato de sustentação do referido dispositivo.
- 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2 caracterizado por incorporar um ou mais componentes adicionais, de origem orgânica ou inorgânica, com caracteristicas eléctricas de um metal (3, 5), semicondutor (1), isolante (6) ou de adaptação (4), em estruturas singulares, compostas ou de multicamada, depositados sobre as duas superfícies do papel (2).
- 4. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por incorporar os referidos componentes à temperatura 1 ambiente e estes poderem opcionalmente ser recozidos até 150 °C.
- 5. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por compreender a deposição de componentes por um ou mais dos seguintes métodos: por evaporação térmica resistiva ou por canhão de electrões em vácuo, pulverização catódica de corrente continua ou rádio frequência ou ultra alta frequência, assistida, ou não, por magnetrão, por decomposição química de vapores assistida, ou não, por rádio frequência ou por ultra alta frequência, por impressão a jacto de tinta, por emulsão química.
- 6. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por depositar componente ou componentes condutores (3, 5) compreendendo material condutor orgânico ou inorgânico, metálico ou óxido semicondutor de elevada condutividade, com espessuras até 50 ym.
- 7. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por depositar componente ou componentes semicondutores (1) compreendendo um material inorgânico covalente, ou iónico singular ou composto, ou orgânico, preferencialmente ligas de silício ou óxidos multicompostos à base de zinco.
- 8. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por compreender como semicondutor um óxido iónico, cuja função é permitir a interligação das fibras revestidas com o referido óxido iónico semicondutor activo nos terminais da região de canal, sendo a sua utilização como regiões de dreno e fonte (5) , sendo preferencialmente à base de ligas de zinco e índio.
- 9. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por incorporar estruturas concatenadas de eléctrodo 2 metálico (3), papel composto por fibras (2) e semicondutor (1).
- 10. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por aplicar ao referido papel de origem celulósica natural ou sintética ou mista uma camada (4) de passivação ou adaptação antes de se depositar qualquer outro elemento componente do dispositivo final.
- 11. Processo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a referida camada (4) de passivação ou adaptação a aplicar compreender material dieléctrico covalente ou iónico de elevada resistividade eléctrica, em particular com espessuras de 1 nm até 500 nm, mais de duas ordens de grandeza inferiores à espessura das fibras que constituem o papel.
- 12. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por encapsular (6) o dispositivo final por um dieléctrico.
- 13. Processo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por as fibras celulósicas do referido papel (2) serem unidas fisica e quimicamente entre si.
- 14. Dispositivo electrónico ou optoelectrónico activo semicondutor de efeito de campo com memória não volátil caracterizado por compreender: a. dieléctrico que compreende fibras celulósicas naturais, sintéticas ou mistas, ligadas entre si fisica e quimicamente, designadas como papel (2) com espessura entre 1 e 8000 pm; b. elemento activo que compreende um semicondutor (1) depositado sobre o referido papel (2), numa região designada por canal com espessura entre 10 e 800nm; 3 c.eléctrodos de porta (3), de dreno e fonte (5) depositados sobre o dieléctrico e/ou canal.
- 15. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o referido papel (2) ser o substrato de sustentação do referido dispositivo.
- 16. Dispositivo de acordo com a reivindicação 14 ou 15 caracterizado por compreender adicionalmente um ou mais componentes, de origem orgânica ou inorgânica, com caracteristicas eléctricas de um metal (3, 5) , semicondutor (1), isolante (6) ou de adaptação (4), em estruturas singulares, compostas ou de multicamada, depositados sobre as duas superfícies do papel.
- 17. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por o componente ou componentes condutores (3, 5) compreenderem material condutor orgânico ou inorgânico, metálico ou um óxido semicondutor de elevada condutividade, com espessuras até 50 ym.
- 18. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por o componente ou componentes semicondutores (1) compreenderem material inorgânico covalente, ou iónico singular ou composto, ou orgânico, preferencialmente ligas de silício ou óxidos multicompostos à base de zinco.
- 19. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por compreender como semicondutor um óxido iónico, cuja função é permitir a interligação das fibras revestidas com o referido óxido iónico semicondutor activo nos terminais da região de canal, sendo a sua utilização como regiões de dreno e fonte (5) , sendo preferencialmente à base de ligas de zinco e índio. 4
- 20. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por compreender estruturas concatenadas de eléctrodo metálico (3), papel composto por fibras (2) e semicondutor (1).
- 21. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por compreender uma camada (4) de passivação ou adaptação directamente sobre o papel (2), sob qualquer outro elemento componente do dispositivo final.
- 22. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a referida camada (4) de passivação ou adaptação a aplicar compreender material dieléctrico covalente ou iónico de elevada resistividade eléctrica, em particular com espessuras até 500 nm, mais de duas ordens de qrandeza inferiores à espessura das fibras que constituem o papel.
- 23. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por o dispositivo final compreender um encapsulamento (6) dieléctrico.
- 24. Dispositivo de acordo com a reivindicação 16 caracterizado por o dispositivo ser um transístor tipo n ou p no modo de porta flutuante.
- 25. Dispositivo de acordo com a reivindicação 24 caracterizado por compreender sobre a camada semicondutora (1) dos dispositivos, dois materiais depositados de elevada condutividade perfeitamente iquais em termos de condutividade e separados entre si de distâncias que podem ir dos 10 nm a 500 ym, desiqnados respectivamente de reqião de dreno e de região de fonte (5) . 5
- 26. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por as regiões de dreno e fonte compreenderem entre si um semicondutor continuo orgânico ou inorgânico iónico, com condutividades de pelo menos três ordens de grandeza superior à do material semicondutor colocado sobre as fibras do papel, e sobre as quais foram depositadas, designada de região de canal (1), com espessuras em função da espessura das fibras de papel que contêm o semicondutor activo que constitui a região do canal, e que variam preferencialmente entre os 10 nm e os 5000 nm.
- 27. Dispositivo de acordo com a reivindicação 23 caracterizado por compreender, adicionalmente ao semicondutor activo depositado sobre as fibras do papel (1), um segundo semicondutor (7) de natureza electrónica complementar isto é tipo p e tipo n, ou vice-versa, justapostos e separados entre si de distâncias entre os 50 nm e os 10 ym, formando um dispositivo designado complementar.
- 28. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por os dois semicondutores (1, 7) serem ligados entre si pelo mesmo material a usar respectivamente como dreno e fonte de cada um deles, funcionando como eléctrodo comum e compreender adicionalmente dois terminais (5) independentes depositados e idênticos electronicamente em cada um dos extremos das regiões de canal complementares que fazem a interligação entre as fibras (2) que contêm os respectivos semicondutores activos (1, 7) , designados de fonte ou dreno ou vice-versa.
- 29. Uso do dispositivo da reivindicação anterior caracterizado por no dispositivo complementar, apenas um 6 ou nenhum dos dois transístores estar simultaneamente no estado ligado.
- 30. Uso do dispositivo da reivindicação 28 caracterizado por no dispositivo complementar, a informação armazenada ser apagada por aplicação de uma tensão de sinal contrário e com a mesma intensidade à utilizada para guardar a informação no eléctrodo porta (3).
- 31. Uso do dispositivo da reivindicação 24 caracterizado por guardar cargas eléctricas e iónicas ao longo das fibras que constituem o papel (2) quando sujeitas a uma tensão degrau positiva, ou negativa, aplicada ao eléctrodo porta (3) e de manterem as cargas após a retirada a aplicação dessa tensão.
- 32. Uso do dispositivo da reivindicação 24 caracterizado por a informação guardada ao longo das fibras do papel ser totalmente removida ou apagada desde que se aplique uma tensão de sinal contrário à utilizada para guardar a informação e de intensidade igual ou superior à utilizada para guardar a informação.
- 33. Uso de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por guardar no mesmo espaço informações distintas e escritas com potenciais distintos que o dispositivo reconhece de forma selectiva.
- 34. Uso do dispositivo da reivindicação 24 caracterizado por a informação guardada ser continuamente acumulada por aplicação de tensões degrau de amplitudes diferentes ao eléctrodo porta (3), contínuo ou não, situado na face do papel (2) oposta àquela que contém o semicondutor activo (D . 7
- 35. Uso do dispositivo da reivindicação 24 caracterizado por a informação guardada não ser totalmente apagada ao aplicar tensão de sinal contrário com um valor em módulo inferior à tensão utilizada para escrever a informação. Lisboa, 15 de Outubro de 2012
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