PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE UNA NANOESTRUCTURA CON BASE DE NANOCABLES INTERCONECTADOS, NANOESTRUCTURA Y SU USO COMO TRANSFORMADOR TERMOELECTRICO.

Procedimiento de fabricación de una nanoestructura que comprende una etapa de crecimiento para formar en un sustrato una red de nanocables (7) de material semiconductor impurificado de un primer tipo (n),

estando cada nanocable (7), al final de la etapa de crecimiento, coronado por una gotita (6) de material eléctricamente conductor que ha servido de catalizador durante la etapa de crecimiento, procedimiento caracterizado porque comprende a continuación una etapa de formación de una capa (10) de material eléctricamente aislante alrededor de cada nanocable (7), no recubriendo dicha capa la gotita correspondiente y una etapa de recubrimiento de la capa (10) de material aislante y de la gotita (6) asociadas a cada nanocable (7) por medio de una capa (9) de material semiconductor impurificado de un segundo tipo (p), constituyendo la gotita una unión eléctrica individual entre el nanocable (7) asociado y la capa (9) de material semiconductor impurificado del segundo tipo

Procedimiento de fabricación de una nanoestructura con base de nanocables interconectados, nanoestructura y su uso como transformador termoeléctrico.

Ámbito técnico de la invención

La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una nanoestructura que comprende una etapa de crecimiento para formar en un sustrato una red de nanocables de material semiconductor impurificado de un primer tipo, estando cada nanocable, al final de la etapa de crecimiento, coronado por una gotita de material eléctricamente conductor que ha servido de catalizador durante la etapa de crecimiento.

También se refiere a una nanoestructura obtenida de esta manera y su uso para constituir un transformador termoeléctrico.

Estado de la técnica

Como se representa en la figura 1, un transformador termoeléctrico está constituido clásicamente por termopares conectados térmicamente en paralelo entre las fuentes 1 y 2, respectivamente caliente y fría. Cada termopar está constituido por dos ramas 3 y 4, de materiales metálicos o semiconductores de diferente naturaleza, conectadas eléctricamente en serie. En la figura 1, la conexión eléctrica entre dos ramas 3 y 4 adyacentes se asegura por medio de un elemento de conexión 5, eléctricamente conductor, que conecta las extremidades adyacentes de las dos ramas, o bien a nivel de la fuente caliente 1, o bien a nivel de la fuente fría 2. De esta manera, las ramas están todas conectadas eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. Esta disposición permite optimizar la resistencia eléctrica del transformador así como el flujo térmico (representado por las flechas verticales en la figura 1) que lo atraviesa.

Un transformador como este puede utilizarse para generar una corriente eléctrica, por el efecto Seebeck, cuando está sometido a un gradiente térmico entre las fuentes caliente y fría. Recíprocamente, puede utilizarse para crear un gradiente térmico, por el efecto Peltier, y de esta manera crear un efecto de refrigeración termoeléctrica, cuando una corriente recorre las ramas.

El rendimiento de un transformador como este es directamente proporcional al gradiente térmico aplicado en las caras del transformador y a un factor de mérito ZT, que depende directamente de las propiedades eléctricas y térmicas de los materiales de los termopares y más particularmente de su conductividad eléctrica p, de su coeficiente Seebeck S y de su conductividad térmica ?.

Se ha propuesto utilizar nanocables para mejorar el rendimiento de transformadores termoeléctricos utilizando los fenómenos de confinamiento cuántico.

De esta manera, la solicitud de patente US-A-2002/0175408 describe la fabricación de heteroestructuras longitudinales y/o radiales de nanocables que utilizan un método de crecimiento cristalino de tipo vapor-líquido-sólido (VLS) para controlar las dimensiones de la sección de los cables. Los nanocables utilizados para realizar un transformador termoeléctrico pueden, por ejemplo, tener estructura radial, de Bi₂Te₃ o de SiGe. Este documento describe más detalladamente un ejemplo de realización de un transformador termoeléctrico, en el que se sumergen una red de nanocables impurificados n y una red de nanocables impurificados p en matrices de polímero, de manera que forman dos paquetes distintos, de impurificación diferente. Cada paquete lo completan contactos metálicos formados en ambas partes del paquete, en las dos extremidades de los nanocables, conectando a estos eléctricamente en paralelo con respecto al interior del paquete. Los paquetes n y p se conectan a continuación eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, de manera clásica, por medio de sus contactos metálicos.

Un procedimiento del mismo tipo también se describe en el artículo "Fabrication and Characterization of a Nanowire/Polymer-Based Nanocomposite for a Prototype Thermoelectric Device", de Alexis R. Abramson y otros, en "Journal of Microelectromechanical Systems", páginas 505-513, vol. 13, nº 3, junio de 2004.

Los procedimientos de fabricación descritos en estos documentos solo permiten realizar colectivamente paquetes de nanocables de la misma composición química, por ejemplo semiconductores de tipo n o p. Como se ha indicado anteriormente, los nanocables de la misma naturaleza se conectan a continuación eléctricamente en paralelo con respecto al interior de cada paquete y al menos dos paquetes de diferente naturaleza se interconectan para formar un transformador termoeléctrico.

En la solicitud de patente US-A-2005/0112872, se forman nanocables de tipo n y p, por medio del crecimiento electrolítico en una matriz nanoporosa, por medio de la activación selectiva de dos grupos de electrodos metálicos de base formados con anterioridad en un sustrato. Para realizar un transformador termoeléctrico, los nanocables de tipo n y p se conectan a continuación entre ellos por medio del depósito de un primer electrodo de conexión metálica, en la parte superior de los nanocables. Este primer electrodo de conexión está, preferentemente, estructurado de manera que se conecta individualmente un nanocable de tipo p a un único nanocable de tipo n. Un segundo electrodo de conexión metálica se forma a continuación en la base de los nanocables, por medio de la modificación de las conexiones iniciales de los electrodos de base a través de dos juegos de agujeros formados sucesivamente en el sustrato.

Además, se ha propuesto interconectar nanocables, en el plano del sustrato, manipulándolos individualmente, por ejemplo con una punta AFM o por medio de procedimientos de autoorganización.

Un transformador termoeléctrico con base de nanocables, por lo tanto, se ha realizado hasta aquí o bien por medio de la interconexión de paquetes, comprendiendo cada uno de los nanocables de la misma naturaleza (p o n) formados simultáneamente por medio del crecimiento de tipo VLS, o bien por medio de la interconexión individual de nanocables formados por medio del crecimiento electrolítico en poros de una capa de material apropiado, por ejemplo, de una capa de aluminio.

Objeto de la invención

El objeto de la invención tiene por finalidad un procedimiento de fabricación de una nanoestructura con base de nanocables, por ejemplo de un transformador termoeléctrico que permite interconectar individualmente un nanocable de tipo n y un nanocable de tipo p.

Según la invención, esta finalidad se logra por medio de un procedimiento según las reivindicaciones anejas.

La invención también tiene por objeto una nanoestructura obtenida de esta manera y su uso para constituir un transformador termoeléctrico o un sensor de gas.

Breve descripción de los dibujos

Otras ventajas y características se desprenderán más claramente de la descripción que viene a continuación de modos particulares de realización de la invención dados a título de ejemplos no limitativos y representados en los dibujos anejos, en los que:

La figura 1 representa esquemáticamente un transformador termoeléctrico según la técnica anterior.

La figura 2 ilustra la interconexión individual de nanocables de tipo n y p según la invención.

La figura 3 representa el esquema eléctrico de un modo particular de realización de un transformador termoeléctrico según la invención.

Las figuras 4 y 5 ilustran, respectivamente vista de arriba y en corte según el eje A-A, la conexión eléctrica en serie de dos conjuntos de un transformador termoeléctrico según la invención.

La figura 6 representa una variante de realización de la figura 5.

Descripción de un modo preferido de la invención

La fabricación de un nanocable, sobre todo por medio del crecimiento de tipo VLS (véase el documento US-A-2002/0175408 y el artículo citado anteriormente de A.R. Ambramson), implica el uso de un catalizador metálico, por ejemplo de oro. Durante toda la fase de crecimiento del nanocable, una gotita 6 de catalizador está dispuesta en la parte superior del nanocable.

Como se representa en la figura 2, una red de nanocables 7 de material semiconductor impurificado de un primer tipo, por ejemplo de tipo n, se forma, de manera conocida, por ejemplo por medio del crecimiento de tipo VLS, en un sustrato 8. Se puede utilizar toda técnica de crecimiento en la que cada nanocable 7 quede coronado, al final de su fase de crecimiento, por una gotita 6 de catalizador de material eléctricamente conductor. Esta gotita 6 se conserva y utiliza para conectar eléctrica e individualmente...

1. Procedimiento de fabricación de una nanoestructura que comprende una etapa de crecimiento para formar en un sustrato una red de nanocables (7) de material semiconductor impurificado de un primer tipo (n), estando cada nanocable (7), al final de la etapa de crecimiento, coronado por una gotita (6) de material eléctricamente conductor que ha servido de catalizador durante la etapa de crecimiento, procedimiento caracterizado porque comprende a continuación una etapa de formación de una capa (10) de material eléctricamente aislante alrededor de cada nanocable (7), no recubriendo dicha capa la gotita correspondiente y una etapa de recubrimiento de la capa (10) de material aislante y de la gotita (6) asociadas a cada nanocable (7) por medio de una capa (9) de material semiconductor impurificado de un segundo tipo (p), constituyendo la gotita una unión eléctrica individual entre el nanocable (7) asociado y la capa (9) de material semiconductor impurificado del segundo tipo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la capa (10) de material eléctricamente aislante está formada por medio de la oxidación selectiva de los nanocables (7) en su periferia.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque los materiales semiconductores impurificados son respectivamente de tipo n y p.

4. Nanoestructura que comprende primeras y segundas redes de nanocables de material semiconductor impurificado, respectivamente de un primer y de un segundo tipo, estando conectado individualmente un nanocable (7) de la primera red a un nanocable (9) de la segunda red por medio de un material eléctricamente conductor, nanoestructura caracterizada porque los nanocables de las primeras y segundas redes son coaxiales, estando coronado cada nanocable (7) de la primera red por una gotita (6) de material eléctricamente conductor que ha servido a su formación y recubierto en su periferia por una capa (10) de material aislante, no recubriendo dicha capa la gotita correspondiente, recubriendo un nanocable (9) de la segunda red la capa (10) de material aislante y la gotita (6) asociadas al nanocable (7) correspondiente de la primera red y constituyendo dicha gotita el material eléctricamente conductor que interconecta individualmente dos nanocables (7, 9) coaxiales.

5. Nanoestructura según la reivindicación 4, caracterizada porque al menos dos nanocables (7) adyacentes de la primera red están conectados por medio de una capa de material semiconductor impurificado del primer tipo, constituyendo una base (11) notablemente perpendicular con respecto a las redes de nanocables.

6. Nanoestructura según la reivindicación 5, caracterizada porque la base (11) está dispuesta en un sustrato de soporte (8).

7. Nanoestructura según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizada porque la capa (10) de material aislante recubre la base (11) entre dos primeros nanocables (7) adyacentes, estando conectados al menos dos nanocables (9) adyacentes de la segunda red, por encima de la capa (10) de material aislante, por medio de la capa de material semiconductor impurificado del segundo tipo.

8. Nanoestructura según la reivindicación 7, caracterizada porque comprende al menos un conjunto (12) que comprende una pluralidad de uniones, conectadas eléctricamente en paralelo y constituidas cada una por la conexión en serie de un primer nanocable (7), de la gotita (6) correspondiente y del segundo nanocable (9) coaxial asociado, estando constituido un primer borne de conexión (13) por una zona de la base (11) que sobresale de un lado del conjunto, estando constituido un segundo borne de conexión (14) del conjunto por una zona lateral diferente de la capa de material semiconductor del segundo tipo.

9. Nanoestructura según la reivindicación 8, caracterizada porque comprende al menos dos conjuntos (12a, 12b) conectados eléctricamente en serie, estando conectado el primer borne (13a) de uno de los conjuntos al segundo borne (14b) del conjunto adyacente.

10. Uso de una nanoestructura según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, para constituir un transformador termoeléctrico.

11. Uso según la reivindicación 10, para constituir un sensor de gas, que comprende un catalizador que reacciona con el gas que se ha de detectar y dispuesto en el transformador termoeléctrico.