DE102011056951A1 - Thermochromes Einzel- und Mehrkomponentensystem, dessen Herstellung und Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein elektrisches Element das Einzel- oder Mehrkomponentensysteme umfasst, wobei die Komponenten des Einzel- und Mehrkomponentensystems teilweise oder vollständig aus thermochromem Material mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen und in sich strukturiert ausgeführt sein können. Diese Elemente können zum lokalen Heizen, als elektronische oder optische Schalter oder zur Magnetfelderzeugung genutzt werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems, speziell zur lokalen Temperaturänderung des thermochromen Materials sowie dessen Herstellung und Verwendung
  • Thermochrome Materialien ändern ihre Eigenschaften, z.B. strukturelle, elektrische, optische und/oder magnetische Eigenschaften, bei der thermochromen Übergangstemperatur sprunghaft.
  • Das bekannteste thermochrome Material ist Vanadiumdioxid (VO2), dessen thermochrome Übergangstemperatur 68°C beträgt. VO2 ändert seinen Widerstand bei 68°C um bis zu 5 Größenordnungen auf der Femtosekunden-Zeitskale. Dabei wird aus dem durchsichtigen und halbleitenden VO2 ein spiegelndes und metallisch leitendes Material.
  • Magnetfelder können durch elektrische Ströme durch stromdurchflossene Leiter verursacht werden. Magnetisierbare Mehrschichtsysteme mit unmagnetisierbaren Zwischenschichten ändern ihren elektrischen Widerstand unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes und dienen der nichtflüchtigen Speicherung von Informationen. Diese Speichertechnik wird Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) genannt. Die Thermal-Assisted-Switching-Technik (TAS) und die Spin-Torque-Transfer-Technik (STT) mit Stromdichten von weniger als 106 bis 107 A/cm2 werden verwendet, um MRAM-Zellen neu zu beschreiben. Sie besitzen eine geringere Leistungsaufnahme und bessere Skalierbarkeit als herkömmliche MRAM-Zellen, welche durch ein äußeres Magnetfeld geschalten werden. Diese sehr hohen Stromdichten können in MRAM-Zellen zu Elektromigration in den Metallbahnen führen und behindern die Übertragung von MRAM-Zellen vom Labormaßstab auf industrielle Größen. Eine noch bessere Skalierbarkeit besitzen MRAM-Zellen, Vertikal Transport MRAM (VRAM) bei denen Strom durch vertikal zu den magnetisierbaren Schichten angeordnete Säulen die Magnetisierung in den magnetisierbaren Schichten ändert.
  • Phase Change Materialien ändern ihre Phase oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur von kristallin zu amorph und werden derzeit hauptsächlich zur Latentwärmespeicherung sowie zur Datenspeicherung verwendet.
  • Problematisch sind die sehr hohen Stromdichten welche bei gleichzeitiger Vermeidung der Elektromigration in den Metallbahnen und bei gleichzeitiger thermischer Isolation der Phase Change Materialien verwendet werden müssen. Z.B. betragen die Stromdichten zum Erreichen der Phasenumwandlungstemperatur von 600 °C in GeSbTe mehr als 107 A/cm2.
  • Im allgemeinen Fall eines anisotropen thermochromen Materials, z.B. ist unverspanntes VO2 anisotrop, können die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die thermoelektrischen Koeffizienten Tensorgrößen sein.
  • Die Temperatur eines thermochromen Materials kann durch gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und deren Umsetzung ineinander, z.B. aufgrund des Peltier-Effekts, auf die thermochrome Übergangstemperatur abgekühlt oder erwärmt werden.
  • Ein thermochromes Material kann durch gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und deren Umsetzung in einander, z.B. aufgrund des Thomson-Effektes, auf die thermochrome Übergangstemperatur erwärmt werden. Die dabei zugeführte Wärme nennt man Joulesche Wärme. Die Joulesche Wärme steigt mit dem Quadrat des Stromes und bezeichnet die Leitungsverluste des elektrischen Stromes aufgrund des elektrischen Widerstandes.
  • Ausgangspunkt für die theoretische Beschreibung des elektrischen Stromes in einem festen thermochromen Material ist der Tensor der elektrischen Leitfähigkeit und das die Stromleitung verursachende elektrische Feld. Im speziellen Fall eines richtungsunabhängigen und feldgrößenunabhängigen Materials ist die elektrische Leitfähigkeit ein eindimensionaler Wert und die Stromleitung ist proportional und in gleicher Richtung wie das elektrische Feld. In einem anisotropen und linearen Material ist die elektrische Leitfähigkeit ein Tensor 2. Stufe. Zum Beispiel wurde in VO2-Dünnfilmen für Transport entlang der <001>-Richtung und entlang der <010>-Richtung Leitfähigkeitsunterschiede von mehr als 41 gefunden (Kittiwatanakul, Salinporn u.a.: Transport Anisotropy of Epitaxial VO2 films grown on (100) TiO2. www.virginia.edu/inauguration/posters/1.11.Physcial.Kittiwatanakul.Wolf.pdf.).
  • Der Entzug von Wärme geht bei festen thermochromen Materialien durch Wärmeübertragung, z.B. mittels Wärmeleitung und Wärmestrahlung, entsprechend einem Temperaturgradienten vonstatten. Die entscheidenden Einflussfaktoren sind dabei durch den Wärmeleitkoeffizienten, den Wärmeübergangskoeffizienten und die Wärmekapazität gegeben.
  • Ausgangspunkt für die theoretische Beschreibung der Wärmeübertragung in einem festen thermochromen Material ist die Wärmeleitungsgleichung für die Temperatur unter Verwendung der Materialkonstanten des thermochromen Materials, z.B. der Wärmeleitfähigkeit, der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte des Materials. Zur eindeutigen Bestimmung des zeit- und ortsabhängigen Temperaturprofils müssen außerdem die zeitliche und räumliche Verteilung der Wärmequellen sowie Randbedingungen berücksichtigt werden.
  • Oxidische thermochrome Materialien können mittels verschiedener Techniken, z.B. mittels Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, Chemischer Gasphasendeposition und mittels gepulster Laserplasmaabscheidung, hergestellt werden.
  • Der ON/OFF-Schalter ist ein Bauelement, z.B. ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET), dessen Widerstand im ON-Zustand niedrig und dessen Widerstand im OFF-Zustand hoch ist.
  • Gekreuzte Leiterbahnen (Crossbar-Array) stellen eine neue Bauteilarchitektur dar. In einem Crossbar-Array ist die strukturierte oder ganzflächige funktionale Schicht zwischen den gekreuzten Leiterbahnen eingebettet. Möchte man eine Zelle auslesen, die aktuell einen hohen elektrischen Widerstand aufweist (OFF-Zustand) und gibt es in der Umgebung dieser OFF-Zelle andere Zellen mit geringem Widerstand (ON-Zustand), so könnte der Strom (sneak current), einen Schleichweg durch diese ON-Zellen nehmen. Diese Schleichströme limitieren für ein Material mit gegebenem ON/OFF-Widerstandsverhältnis das Herunterskalieren des Crossbar-Arrays.
  • Der Mott-Transistor ist ein Feldeffekt-Transistor (FET) mit einem Kanal, welcher aus einem Mott-Isolator besteht und einen Mott-Übergang zwischen isolierend (OFF-Zustand) und metallisch leitend (ON-Zustand) zeigt. Der Mott-Übergang und damit die Leitfähigkeit des Kanals kann durch ein am Gate angelegtes Potential kontrolliert werden. Bisher wurde noch kein Mott-Transistor realisiert.
  • Metamaterial sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in ihrem Inneren speziell angefertigte mikroskopische Strukturen aus elektrischen oder magnetisch wirksamen Materialien aufweisen, die für den negativen Brechungsindex des Metamaterials verantwortlich sind. Ein Beispiel für ein THz-Metamaterial, das heißt von einem Material mit negativem Brechungsindex im THz-Bereich, auf der Basis von thermochromen Materialien sind Au/VO2-Hybridstrukturen (Kyoung, J. S.: Active terahertz metamaterials: Nano-slot antennas on VO2 thin films. physica status solidi (8) 2011, Heft 4, Seiten 1227–1230).
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist die Anordnung eines mikro- und /oder nanoelektronischen Systems, und dessen Verwendung als Schalter oder Heizer durch lokale Änderung der Leitfähigkeit und der Temperatur einzelner Bereiche in mikro- und /oder nanoelektronischen Systemen.
  • Grundzüge des Lösungsweges
  • Ausgangspunkt bildet ein System aus einer oder mehreren Komponenten, die aus thermochromen Material mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen. Damit können Einzel- oder Mehrkomponentensysteme aufgebaut werden, die in sich strukturiert ausgeführt sein können.
  • Idealerweise werden thermochrome Komponenten verwendet, die verschiedene Leitfähigkeitsphasen bei Raumtemperatur bzw. Betriebstemperatur besitzen. Die Verwendung einer thermochromen Komponente mit nur einer Leitfähigkeitsphase ist in Verbindung mit einer isolierenden Komponente möglich.
  • Als thermochrome Komponenten 2, 2‘ werden vorteilhafterweise VO2 und/oder VO2:{Al, Ga} und/oder VO2:{W,F} verwendet.
  • Als nicht thermochrome Komponenten 1 können nicht thermochrome Oxiden mit hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise LaLuO3, LaScO3, LaYO3, LaO3 oder eine Mischung La:{Lu,Sc,Y}:O3, oder nicht thermochrome Oxiden mit niedriger Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Al2O3, SiO2 und/oder MgO, verwendet werden.
  • An Einzelne oder alle thermochrome Komponenten können jeweils mindestens ein Oberflächenkontakt und mindestens ein weiterer Kontakt angebracht sein. Beim Anlegen einer Spannung an die Kontakte erhöht sich die Temperatur der stromdurchflossenen thermochromen Komponente(n) durch Zufuhr von Joulescher Wärme lokal. Übersteigt der Spannungsabfall einen Schwellwert, dann kann die Temperatur lokal über die thermochrome Schalttemperatur TT erhöht werden und die Leitfähigkeitsphase der erwärmten thermochromen Komponente(n) ändert sich abrupt, zum Beispiel bei der Größe eines normalen integrierten Bauelements für eine thermochrome Komponente aus VO2 innerhalb von weniger als 10fs.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • Die Ausführungsbeispiele werden mit Abbildungen beschrieben. Die einzelnen Abbildungen zeigen:
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Einzel- oder Mehrkomponentensystems mit optionalen Kontakten und optionalem weiteren integrierten elektrischen Bauelement.
  • 2 zeigt die eine Möglichkeit der Strukturierung der verwendeten Kontakte.
  • 3 bis 6 zeigen Aufbauvarianten unter Verwendung von zwei verschiedenen in sich strukturierten thermochromen Komponenten und optionalem weiteren integrierten elektrischen Bauelement.
  • 7 bis 9 verdeutlichen die Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb eines thermochromen Mehrkomponentensystems.
  • 10 zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung von lokal außen angebrachten Peltierelementen.
  • 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die lokale Leitfähigkeit durch Beleuchtung verändert wird.
  • 12 zeigt das lokale Aufbringen von Nanostrukturen in einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit bei Erwärmung verdampft.
  • Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Einzel- oder Mehrkomponentensystems auf einem Substrat/Trägermaterial 3 mit optionalem Oberflächenkontakt 4 und einem optionalen zugehörigen Gegenkontakt 5 und optionalem weiteren integrierten, in Reihe oder parallel geschaltetem Widerstandsbauelementen 8, wobei der Oberflächenkontakt 4 und der zugehörige Gegenkontakt 5 an gegenüberliegenden Seiten oder an derselben Seite des Einzel- oder Mehrkomponentensystems angeordnet sind. Die Temperatur in Bereichen 1 des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems, in denen sich durch Anlegen einer Spannung an den Oberflächenkontakt 4 und den zugehörigen Gegenkontakt 5 keine elektrischen Feldlinien 7 ausbreiten und/oder in denen keine einfallenden elektromagnetischen Wellen 11 (beispielsweise Infrarot-, sichtbares, ultraviolettes (Laser)-Licht), im weiteren Text auch als Licht bezeichnet, 11 absorbiert wird beträgt T1 und liegt vorzugsweise unterhalb der thermochromen Sprungtemperatur TT. Die Temperatur in Bereichen 2, 2’ des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems, in denen sich elektrische Feldlinien 7 ausbreiten und/oder in denen einfallendes Licht 11 absorbiert wird beträgt T2 und liegt vorzugsweise oberhalb der thermochromen Sprungtemperatur TT. Die Spannung zwischen den Kontakten 4 und 5 und/oder die Intensität des einfallenden Lichtes 11 im Bereich 2, 2’ mit unterschiedlichen stabilen Leitfähigkeitsphasen muss einen von der Kontaktgeometrie und den dielektrischen Eigenschaften des Einzel- oder Mehrschichtsystems abhängigen Schwellwert überschreiten, damit sich die stabile Leitfähigkeitsphase mit der höheren Leitfähigkeit einstellt und damit das in Reihe oder parallel geschaltete Widerstandsbauelement 8 lokal angesteuert wird (1a) und (1b) und/oder damit der oberflächennahe Bereich des Einzel- oder Mehrschichtsystems mit stabiler Leitfähigkeitsphase mit der höheren Leitfähigkeit (1c) als lokaler Heizer verwendet werden kann.
  • Durch Definition eines Cross-Bar Arrays mit strukturierten metallisch leitendem Oberflächenkontakt 4 und zugehörigem gegenüberliegenden, um 90° gedrehten Gegenkontakt 5 wird der Spannungs-Schwellwert zur lokalen Temperaturänderung nur in Bereichen 2 des thermochromen Materials zwischen Kreuzungspunkten des Cross-Bar Arrays überschritten 2a). Zur Reduzierung von Kriechströmen zwischen nicht gegenüberliegenden Kreuzungspunkten des Cross-Bar Arrays (Crosstalk) wird vorzugsweise eine hochisolierende Komponente im Bereich 1 des thermochromen Einzel- oder Mehrkomponentensystem außerhalb der Kreuzungspunkte mittels Dotierung 2b) und/oder mittels Verspannung unter Nutzung von tensilen bzw. kompressiven Stress verursachenden Schichten oder Piezo-Elementen eingebracht. Die Leitfähigkeit des thermochromen oder nicht thermochromen Materials im Bereich 1 ändert sich nicht oder nur geringfügig. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung der Definition des Cross-Bar-Arrays ist, dass die lokalen Schalter für die Widerstandsbauelemente 8 an den Kreuzungspunkten des Cross-Bar-Arrays wie Auswahltransistoren funktionieren, jedoch nicht separat strukturiert, kontaktiert und über eine separate Spannung gesteuert werden müssen. Man spart bei der Herstellung von Cross-Bar-Arrays mit einem thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystem alle Prozessschritte zur Herstellung von Auswahltransistoren. Dadurch verringern sich die Herstellungskosten.
  • Als weiteres Ausführungsbeispiel, dargestellt in 3 bis 6, kann ein anderes elektrisches Bauelement parallel oder in Reihe zu einer thermochromen Komponente des Einzel- oder Mehrkomponentensystem integriert werden. Durch Wahl des Volumens, der Verspannung und der chemischen Komposition des thermochromen Materials im Bereich 2 zwischen zwei Kontakten, lässt sich die am integrierten elektrischen Bauelement anliegende Spannung vor und nach dem Ändern der Leitfähigkeitsphase der thermochromen Komponente des Einzel- und Mehrkomponentensystem einstellen. Vorzugsweise wird für den Bereich 1 kein thermochromes Material verwendet, weil in diesem Bereich keine Änderung der Leitfähigkeitsphase erwünscht ist. Ein Hauptvorteil ist die Kompatibilität des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems mit der Mikroelektronik und die Gestaltung des räumlichen Verlaufes des Stromflusses durch den Tensor der elektrischen Leitfähigkeit und des die Stromleitung verursachenden elektrischen Feldes. Der Bereich 1 kann auch aus einem anderen thermochromen Material mit im Vergleich zu Bereich 2 unterschiedlicher stabiler Leitfähigkeitsphase bestehen. 3 bis 6 zeigen Aufbauvarianten des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems auf einem Substrat/Trägermaterial 3 unter Verwendung von zwei verschiedenen in sich strukturierten Komponenten 1 und 2 mit unterschiedlichen stabilen Leitfähigkeitsphasen, wobei sich die Leitfähigkeit im Bereich 1 nur geringfügig und die Leitfähigkeit im Bereich 2 stark ändern kann. In Reihe oder parallel zum thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystem ist optional ein Widerstandsbauelement 8 integriert.
  • Durch Verwendung von thermochromen Materialien mit unterschiedlichen stabilen Leitfähigkeitsphasen bei Betriebstemperatur und Anbringen von Kontakten an die Komponenten des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems mit einer höheren Leitfähigkeit 2 als die umgebenden Komponenten 1, wird beim Übersteigen eines Spannungsschwellwertes die Temperatur lokal über die thermochrome Schalttemperatur TT erhöht werden. Im Bereich 2 stellt sich eine stabile Leitfähigkeitsphase mit erhöhter Leitfähigkeit ein, siehe 3.
  • In Serie geschalten kann die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit den Auswahltransistor für ein resistives magnetisierbares Mehrschichtsystem mit separater Top- und Bottomelektrode 15 (4) ersetzen. Das nachgeschaltete Widerstandbauelement 15 kann digital geschalten werden.
  • In Serie geschalten kann die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit den Auswahltransistor für ein resistiv schaltendes Element ersetzen. Das schaltende Element kann z.B. ein Chalkogenid 12 mit einem durch Erwärmung im Bereich des Stromdurchflusses aufgeschmolzenen Bereich 12’ mit separater Top- und Bottomelektrode 15 sein, siehe 5. Integrierten Phase Change Materialien 12, 12’ können über ein thermochromes Material mit einer hohen Leitfähigkeit sehr hohe Stromdichten bei gleichzeitiger thermischer Isolation durch Einbettung in eine Komponente des Einzel- oder Mehrkomponentensystems mit geringer Leitfähigkeit zugeführt werden.
  • Die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit 2 kann in Serie mit einem resistiven magnetisierbares Mehrschichtsystem 15, welches aus zwei durch eine nichtleitende Schicht getrennte magnetisierbaren Schichten unterschiedlicher Dicke mit der Magnetisierung Mo und Mu mit einem Oberflächenkontakt 4 und einem zugehörigen Gegenkontakt 5 geschalten werden (6). Für die thermochrome Komponente werden die gleichen Kontakte 4, 5 verwendet. Ein Stromfluss durch die thermochrome Komponente 2 und durch das magnetisierbare Mehrschichtsystem 15 kann zu einer Ummagnetisierung der dünneren der beiden magnetisierbaren Schichten mit der Magnetisierung Mo aufgrund des Spin-Tranfer-Torque-Effektes führen.
  • Ein weiteres Anwendungsbeispiel zeigt 7. Der Strom I durch die thermochrome Komponente mit hoher Leitfähigkeit 2 erzeugt eine magnetische Feldstärke H(r) = I(2πr) im Abstand r von der stromdurchflossenen thermochromen Komponente. Die magnetische Flussdichte B(r) kann lokal sowohl innerhalb als auch außerhalb des elektrischen Elements durch den Stromfluss in einer thermochromen Komponente mit hoher Leitfähigkeit 2 des elektrischen Elements beeinflusst werden. Die magnetischen Feldlinien 13 verlaufen senkrecht zur Stromflussrichtung. Die magnetische Flussdichte B(r) im Abstand r beträgt μ0·μr·H mit der magnetischen Feldkonstanten μ0 = 4π·10–7 Vs/Am und der materialabhängigen relativen Permeabilität μr des Materials, in dem die magnetische Feldstärke H erzeugt wird. Die relative Permeabilität eines Hohlraumes oder Luftspaltes 16 beträgt näherungsweise 1. Zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte wird das thermochrome Material mit hoher Leitfähigkeit in eine isolierende Komponente des thermochromen Einzel- und Mehrschichtsystems eingebettet, deren relative Permeabilität größer als 1 ist. Durch vektorielle Überlagerung der magnetischen Feldstärken Hi, i = 1, 2, .. von verschiedenen stromdurchflossenen thermochromen Komponenten mit hoher Leitfähigkeit kann ein zeit- und richtungsabhängiges Magnetfeld eingestellt werden.
  • Die Magnetisierung eines am Ort des zeit- und richtungsabhängigen Magnetfeldes eingebetteten magnetisierbaren Materials 14 (8) kann durch Änderung der Magnetfeldrichtung geändert werden. Ist der Abstand des magnetisierbaren Materials von den stromdurchflossenen thermochromen Komponenten mit hoher Leitfähigkeit 2, 2’ sehr groß, reicht möglicherweise die Stärke des Magnetfeldes nicht aus, um in diesem magnetisierbaren Material 14 Sättigungsmagnetisierung Ms zu erreichen.
  • Integration eines magnetisierbaren Mehrschichtsystems 14 mit einem vom Magnetfeld abhängigen Widerstand in isolierende Bereiche 1 des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems mit einer relativen Permeabilität größer als 1 mit zeit- und richtungsabhängigen Magnetfeldern. Magnetisierung einzelner Schichten des magnetisierbaren Mehrschichtsystems durch vektorielle Überlagerung von verschiedenen, stromdurchflossenen thermochromen Komponenten 2, 2’ mit hoher Leitfähigkeit 9. Ein weiterer Vorteil ist die zeitlich und/oder räumlich veränderliche Erzeugbarkeit von Magnetfeldern, d. h. man kann mit dem thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystem die Magnetisierung mindestens einer Einzelschicht eines integrierten magnetisierbaren Mehrschichtsystems mittels Stromfluss verändern und damit den Gesamtwiderstand des magnetisierbaren Mehrschichtsystems ändern.
  • Die Temperatur T1, T1’, T2, T2’ wird an den Rändern des thermochromen Einzel- oder Mehrkomponentensystems mittels Peltierelementen 9 (Kühlen oder Heizen) konstant gehalten, siehe 10. Damit werden die Randbedingungen zur Bestimmung des zeit- und ortsabhängigen Temperaturprofils im Einzel- oder Mehrkomponentensystem kontrolliert sowie der ortsabhängige Spannungs-Schwellwert für Joule Heating (Switchen) zum lokalen Erwärmen des thermochromen Materials über seine thermochrome Sprungtemperatur erhöht (Kühlen) oder erniedrigt (Heizen). Befindet sich das Peltierelement zwischen der thermochromen Komponente und einem Kontakt, dann kann in der thermochromen Komponente zwischen beiden Kontakten die Temperatur graduell und die lokale Leitfähigkeit des thermochromen Materials um mehrere Größenordnungen geändert sein.
  • Die Strukturierung der metallisch leitenden Top- 4 und/oder Bottomelektrode 5 erfolgt derart, dass die Intensität des Lichts 11 aus einem optischen Element nach Passieren der strukturierten Elektroden 4, 5 im angrenzenden thermochromen Material 2‘ unterschiedlich ist und dadurch im Bereich der elektrischen Feldlinien 7 die Leitfähigkeit exponentiell abfällt, siehe 11. Damit ist der Spannungsschwellwert zum Erwärmen des thermochromen Materials 2 über seine Sprungtemperatur nahe der strukturierten metallisch leitenden Elektrode 4, 5 am geringsten. Ein nachgeschaltetes Widerstandsbauelement 8 kann durch Lichteinfall 11 und/oder durch Anlegen einer konstanten elektrischen Spannung zwischen den beiden Kontakten 4, 5 mit Licht geschaltet werden. Vorzugsweise sollten am elektrischen Element statt der metallisch leitenden Top- und Bottomelektroden auch transparente leitende Oxide verwendet werden.
  • 12 zeigt eine Verwendung eines elektrischen Elements mit oberflächennahem bzw. die Oberfläche bildenden thermochromen Material 2, 2’ zur Bearbeitung temperaturempfindlichen Materialien durch lokale Erwärmung. Dazu werden die temperaturempfindlichen Materialien 18 auf die Oberfläche des elektrischen Elements aufgebracht. Als temperaturempfindliche Materialien kommen beispielsweise Lacke, Biomaterialien oder Polyelektrolyte in Frage. Die Veränderung der Leitfähigkeit und der Temperatur des thermochromen Materials 2‘ kann durch Lichteinfall 11, vorzugsweise auf der Rückseite beispielsweise mit Hilfe eines Transducers 17, vgl. 12, oder des thermochromen Materials 2 – nicht in 12 dargestellt – über elektrische Kontakte erfolgen.
  • In 12 werden beispielsweise Nano- und Mikrostrukturen in einer Flüssigkeit 18 auf die Oberseite des elektrischen Elements aufgebracht. Während der Bestrahlung mit Licht 11 des elektrischen Elements, vorzugsweise lokal mittels Transducer 17 von der Unterseite des elektrischen Elements wird das elektrische Element erwärmt. Die Absorption des Lichts soll durch die thermochromen Komponenten mit hoher Leitfähigkeit 2‘ des elektrischen Elements erfolgen. Durch die lokale Erwärmung verdunstet die Flüssigkeit und die Nano- und Mikrostrukturen können lokal Cluster 18‘ ausbilden. Der Vorteil der sanft thermischen Trocknung der temperaturempfindlichen Materialien und speziell der in Flüssigkeit gelösten Nano- und Mikrostrukturen ist, dass diese bei der Trocknung nicht zerstört werden können, und damit hauchdünne Filme der temperaturempfindlichen Materialien und speziell hauchdünne Cluster der Nano- und Mikrostrukturen erzeugt werden können. Diese getrockneten temperaturempfindlichen Materialien können nach der Trocknung einfach vom elektrischen Element ablöst werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bereich mit thermochromen oder nicht thermochromen Material, dessen Leitfähigkeit sich nicht oder nur geringfügig ändert
    2, 2‘
    Thermochromes Material mit unterschiedlichen, stabilen Leitfähigkeitsphasen bei Betriebstemperatur, d.h. Bereich dessen Leitfähigkeit sich im Vergleich zu Bereich 1 stark ändert.
    3
    Substrat / Trägermaterial
    4
    Oberflächenkontakt
    5
    Zugehöriger Gegenkontakt (beispielsweise Bottomelektrode)
    6
    Bereich zwischen zwei Kontakten, in dem sich bei angelegter Spannung an die beiden Kontakte ein elektrisches Feld ausbildet und Strom fließen kann.
    7
    Elektrische Feldlinien
    8
    Widerstandsbauelement
    9
    Peltierelement
    10
    Piezoelement
    11
    Einfallendes Licht bzw. einfallende elektromagnetische Wellen
    12, 12‘
    Chalkogenid (12‘ – der durch Erwärmen aufgeschmolzene Bereich)
    13
    Magnetische Feldlinien
    14
    Magnetisierbares Material
    15
    Magnetisierbares Mehrschichtsystem mit separater Top- und Bottomelektrode
    16
    Hohlraum oder Luftspalt
    17
    Transducer
    18, 18‘
    temperaturempfindliches Materials auf der Oberfläche vor und nach der lokalen thermischen Behandlung
    M, Mo, Mu
    Magnetisierung des magnetisierbaren Materials 14
    Ms
    Sättigungsmagnetisierung des magnetisierbaren Materials 14
    T0
    Temperatur des Substrats 3
    T1, T1´
    Temperatur in Bereichen des thermochromen Einzel- oder Mehrkomponentensystems, in denen sich keine elektrischen Feldlinien 7 beim Anlegen einer Spannung ausbilden.
    T2, T2´
    Temperatur in Bereichen des thermochromen Einzel- oder Mehrkomponentensystems, in denen sich elektrischen Feldlinien 7 beim Anlegen einer Spannung ausbilden.
    TT
    Thermochrome Sprungtemperatur
    PL, BL, WL
    Programmier-, Bit- und Wordleitung
    I, I1, I2
    Strom
    V, V1, V2
    Spannung
    r, r1, r2
    Abstand des stromdurchflossenen, thermochromen Materials 2 von der Position, an der die magnetische Feldstärke H(r) verändert werden soll
    H, Hi
    magnetische Feldstärke
    B, Bi
    magnetische Flussdichte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (24)

  1. Elektrisches Element in Widerstandsbauelementen, umfassend ein Einzel- oder Mehrkomponentensystem, wobei die Komponenten des Einzel- und Mehrkomponentensystems teilweise oder vollständig aus thermochromen Material mit anisotropen oder isotropen Dielektrizitätseigenschaften bestehen und in sich strukturiert ausgeführt sein können.
  2. Elektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Komponente des thermochromen Einzel- oder Mehrkomponentensystems für sich lokal verspannt oder in seiner chemischen Komposition variieren kann, und sich damit bei Betriebstemperatur unterschiedliche stabile Leitfähigkeitphasen in jeder thermochromen Komponente des Mehrkomponentensystems einstellen können.
  3. Elektrisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einzel- oder Mehrkomponentensystem aus thermochromen Komponenten, vorzugsweise VO2 und/oder VO2:{Al,Ga} und/oder VO2:{W,F}, und/oder aus nicht thermochromen Oxiden mit hoher Dielektrizitätskonstante und/oder aus nicht thermochromen Oxiden mit niedriger Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Al2O3, SiO2 und/oder MgO, besteht.
  4. Elektrisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass LaLuO3, LaScO3, LaYO3, LaO3 oder eine Mischung La:{Lu,Sc,Y}:O3 als nicht thermochromes Oxid mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet wird.
  5. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine thermochrome Komponente des Einzel- oder Mehrkomponentensystems zwischen mindestens einem elektrisch leitenden Oberflächenkontakt und mindestens einem weiteren elektrisch leitenden Kontakt, die an dem Einzel- oder Mehrkomponentensystem angebracht sind, befindet, wobei einzelne oder alle Kontakte strukturiert ausgeführt sein können.
  6. Elektrisches Element nach Anspruch 5, wobei alle Kontakte sehr gut elektrisch leitend sind und Materialien mit unterschiedlichen Leitfähigkeitsphasen im Bereich zwischen den Kontakten und außerhalb der Kontakte verwendet werden, wobei beim Anlegen einer Spannung zwischen zwei Kontakten sich ein elektrisches Feld, vorzugsweise im Bereich zwischen den Kontakten ausbildet, da die Leitfähigkeit im Bereich außerhalb der Kontakte geringer als die Leitfähigkeit im Bereich zwischen den Kontakten ist.
  7. Elektrisches Element nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe und/oder parallel zu mindestens einer thermochromen Komponente des Einzel- oder Mehrkomponentensystems ein anderes elektrisches Widerstandsbauelement integriert ist und das elektrische Element die Funktion eines Auswahltransistors übernimmt.
  8. Elektrisches Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das eingefügte elektrische Bauelement ein Phase Change Speichermaterial und/oder ein MRAM und/oder ein anderes elektrisches Widerstandsmaterial ist und der Bereich zwischen den Kontakten von einem thermisch und elektrisch isolierenden Material umgeben ist.
  9. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Verspannung zeitlich und räumlich veränderlich mittels Piezoelement erfolgt.
  10. Elektrischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die lokale Temperatur mit einem Peltierelement verändert werden kann.
  11. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die lokale Leitfähigkeit durch die Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen, zum Beispiel mittels monochromatischer Bestrahlung durch eine Laserdiode, verändert werden kann und sich der Bereich dessen Leitfähigkeit geändert wird, von der Wellenlänge und der Intensität der elektromagnetischen Wellen abhängt.
  12. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die räumliche Ausdehnung der lokalen Leitfähigkeitsphasen rotationssymmetrisch zur maximalen elektrischen Feldstärke des sich zwischen den jeweiligen Kontakten ausbildenden elektrischen Feldes ist.
  13. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Material mit geringer Leitfähigkeit 1 elektrisch und thermisch vom thermochromen Material mit hoher Leitfähigkeit 2, 2‘ isoliert ist.
  14. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei in dem Bereich, in dem ein magnetisches Feld erzeugt werden kann, ein magnetisierbares Einzel- oder Mehrschichtsystem integriert ist, wobei der Magnetowiderstand des magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems von der Magnetisierung der einzelnen Schichten abhängt, wobei dieses magnetisierbare Einzel- oder Mehrschichtsystem vom elektrischen Element separat elektrisch kontaktiert ist.
  15. Verwendung des elektrischen Elements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als elektrischen Schalter und/oder optischen Schalter und/oder zur Magnetfelderzeugung, wobei die Temperatur des elektrischen Elements lokal geändert wird, vorzugsweise im thermochromen Material des elektrischen Elements.
  16. Verwendung nach Anspruch 15 zum lokalen Heizen, wobei die Temperatur durch Stromfluss in einem Bereich zwischen zwei Kontakten erhöht wird und beim Überschreiten der thermochromen Sprungtemperatur TT die Leitfähigkeit des thermochromen Materials sich um mehrere Größenordnungen ändert.
  17. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die Abkühlung des lokal durch Stromfluss erwärmten Bereiches durch die Wärmeübergangskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit und die Temperatur der angrenzenden Komponenten des thermochromen Einzel- und Mehrkomponentensystems sowie der Umgebung bestimmt wird.
  18. Verwendung nach Anspruch 15 zur lokalen Leitfähigkeits- und/oder Temperaturänderung in einem optischen Schalter, wobei die thermochromen Komponenten des Einzel- oder Mehrkomponentensystems mit elektromagnetischen Wellen einer definierten Wellenlänge und einer definierten Intensität gepulst und/oder kontinuierlich bestrahlt werden und deren Leitfähigkeit durch Absorption der elektromagnetischen Wellen um mehrere Größenordnungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Intensität der lokal absorbierten elektromagnetischen Wellen geändert werden kann.
  19. Verwendung nach Anspruch 18 zur lokalen Leitfähigkeits- und/oder Temperaturänderung in einem optischen Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch kontinuierliche und/oder gepulste Bestrahlung die Leitfähigkeit in der bestrahlten thermochromen Komponente des elektrischen Elements lokal ändert und dadurch der Stromfluss zwischen den Kontakten kontinuierlich und/oder gepulst geändert werden kann und/oder erst ermöglicht wird.
  20. Verwendung nach Anspruch 19 zum kontinuierlichen und/oder gepulsten Betrieb von mindestens einem in Reihe geschalteten, stromgetriebenen Bauelement und/oder von mindestens einemparallel geschalteten, spannungsgetriebenen Bauelement.
  21. Verwendung des elektrischen Elements nach Anspruch 15 zur lokalen zeitabhängigen Erzeugung und Manipulation von magnetischen Feldern in mindestens einer Einzelschicht eines magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems im angrenzenden Bereich der lokalen Leitfähigkeitsphase des elektrischen Elements, wobei die Magnetisierung mittels Stromfluss durch die lokalen Leitfähigkeitsphasen des elektrischen Elements erzeugt und verändert wird und sich damit der Gesamtwiderstand des magnetisierbaren Einzel- oder Mehrschichtsystems, das innerhalb oder außerhalb des elektrischen Elements angeordnet ist, ändert.
  22. Verwendung des Elements nach Anspruch 15 zum lokalen Aushärten von temperaturempfindlichen Materialien oder zur Clusterbildung von nano- oder Mikrostrukturen, die auf die Oberfläche des elektrischen Elements in der Nähe des oberflächennah befindlichen thermochromen Materials aufgebracht wurden.
  23. Verwendung des elektrischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 14, als Auswahltransistor in einem Cross-Bar-Array für Widerstandsbauelemente.
  24. Herstellung der Komponenten des thermochromen Einzel- oder Mehrkomponentensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche mittels Schichtwachstum, Lithographie und/oder Ionenimplantation.
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