PLATAFORMA ELECTRÓNICA QUE COMPRENDE UN CRISTAL DE TIPO ABO3 Y GRAFENO, MÉTODO PARA SU FABRICACIÓN Y CHIP QUE COMPRENDE LA MISMA.

Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo ABO3 y grafeno,

método para su fabricación y chip que comprende la misma.

Una 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 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 Ω/cuadrado a temperaturas superiores a 77K.

Plataforma electrónica que comprende un cristal de tipo ABO3 y grafeno, método para su fabricación y chip que comprende la misma

Campo de la invención 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.

Estado de la técnica 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) ].

Resumen de la invención 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.

Breve descripción de los dibujos 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.

Descripción de la invención 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 Chemistr y 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...

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 ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPANA

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : H01L41/00 (2013.01)

N.O solicitud: 201231444 22 Fecha de presentación de la solicitud: 18.09.2012 32 Fecha de prioridad:

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

A MISEIKIS, V., et al., Acoustically induced current flow in graphene, Applied Physics Letters, 2012, 1-6

100, 133105; columna 2.

A STRIKHA M. V., Non-volatile m emor y and I R r adiation modulators based u pongraphene-on 1-6

ferroelectric substrate. A review, 2012, Ukr. J. Phys. Opt., V. 13, Suppl. 3 Sci. Horiz.; paginas S17,

S19, S21 y S23.

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 1-6

datos WPI. Recuperado de EPOQUE, [recuperado el ].

A CN 102544530 A (UNIV YANSHAN) 04/07/2012, Resumen de la base de datos WPI. Recuperado 1-6

de EPOQUE, [recuperado el ].

Categoria de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoria A: refleja el estado de la tecnica 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 despues 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 TºCNICA

NO de solicitud: 201231444

Documentación minima buscada (sistema de clasificación seguido de los simbolos de clasificación) H01L Bases de datos electrónicas consultadas durante la bºsºueda (nombre de la base de datos y, si es posible, terminos de

bºsºueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, XPESP, HCAPLUS

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 2/4

OPINIÓN ESCRITA

NO de solicitud: 201231444

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 17.01.2013

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones 1-6 Reivindicaciones SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Reivindicaciones 1-6 Reivindicaciones SI NO

Se considera ºue la solicitud cumple con el reºuisito de aplicación industrial. Este reºuisito fue evaluado durante la fase de examen formal y tecnico de la solicitud (Articulo 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 Tecnica Pagina 3/4

OPINIÓN ESCRITA

NO de solicitud: 201231444

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionanlos documentos pertenecientes al estado de la tecnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

D01 MISEIKIS, V ., et al ., A coustically induced cu rrent flow i n graphene, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2012, 100, 133105.

D02 STRIKHA M. V., Non-volatile memor y and IR radiation modulators based up ongraphene-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 declaración El objeto de la invención es una plataforma electrónica, su procedimiento de preparación y un chip ºue comprende dicha plataforma.

El documento D01 divulga laminas de grafeno crecidas sobre niobato de litio.

El documento D02 divulga laminas de grafeno crecidas sobre sustratos ferroelectricos, principalmente PZT.

El documento D03 divulga laminas 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 ºue comprende un sustrato compuesto por un cristal de ABO3 y, al menos, una capa de una lamina conductora bidimensional de atomos de carbono, de un grosor entre uno y cuatro atomos, donde la capa conductora esta sobre una cara del cristal cuyo eje ortogonal forma un angulo de hasta 35O con el eje de polarización espontanea del cristal.

Tampoco seria obvio para el experto en la materia obtener dicha plataforma a partir de la información divulgada en el estado de la tecnica. Por lo tanto, se considera ºue el objeto de la invención, segºn se recoge en las reivindicaciones 1 a 6, presenta novedad y actividad inventiva (Arts. 6.1 y 8.1 LP) .

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