منوعات

يسلط تعديل النظائر الضوء على نهج واعد لتصميم أشباه الموصلات

أظهرت الأبحاث التي أجراها العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة أن التغييرات الصغيرة في المحتوى النظائري لمواد أشباه الموصلات الرقيقة يمكن أن تؤثر على خصائصها البصرية والإلكترونية، مما قد يمهد الطريق لأخبار التصاميم والتقدم في مجال أشباه الموصلات.

وبفضل أشباه الموصلات جزئيًا، أصبحت الأجهزة والأنظمة الإلكترونية أكثر تقدمًا وتعقيدًا كل يوم. ولهذا السبب، ظل الباحثون لعقود من الزمن يدرسون طرقًا لتحسين مركبات أشباه الموصلات للتأثير على الطريقة التي تحمل بها التيار الكهربائي. أحد الأساليب هو استخدام النظائر لتعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتكنولوجية للمواد.

النظائر هي جزء من عائلة العناصر التي تحتوي جميعها على نفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات وبالتالي كتل مختلفة. ركزت الهندسة النظائرية تقليديًا على تحسين ما يسمى بالمواد السائبة التي لها خصائص موحدة في ثلاثة أبعاد، أو ثلاثية الأبعاد. لكن بحثًا جديدًا بقيادة ORNL قد تجاوز حدود الهندسة النظائرية، حيث يقتصر التيار في بعدين، أو ثنائي الأبعاد، داخل بلورات مسطحة وحيث تحتوي طبقة واحدة فقط على عدد قليل من الذرات. تعتبر المواد ثنائية الأبعاد واعدة لأن طبيعتها فائقة الرقة يمكن أن تتيح التحكم الدقيق في خصائصها الإلكترونية.

“لقد لاحظنا تأثيرًا نظيريًا مدهشًا في الخواص الإلكترونية الضوئية لطبقة واحدة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم عندما استبدلنا نظيرًا أثقل من الموليبدينوم في البلورة، وهو التأثير الذي يمهد الطريق لتصميم الأجهزة الإلكترونية الضوئية ثنائية الأبعاد للإلكترونيات الدقيقة والخلايا الشمسية والكاشفات الضوئية. وقال عالم ORNL كاي شياو: “وحتى تقنيات الحوسبة من الجيل التالي”.

قام يلينغ يو، عضو فريق بحث شياو، بتطوير بلورات ثنائية الأبعاد نقية نظائريًا من ثاني كبريتيد الموليبدينوم الرقيق باستخدام ذرات الموليبدينوم ذات الكتل المختلفة. لاحظ يو تغيرات طفيفة في لون الضوء المنبعث من البلورات تحت الإثارة الضوئية، أو التحفيز بواسطة الضوء.

وقال شياو: “بشكل غير متوقع، تم تحويل الضوء الصادر من ثاني كبريتيد الموليبدينوم الذي يحتوي على ذرات الموليبدينوم الأثقل نحو الطرف الأحمر من الطيف، وهو عكس التحول الذي يتوقعه المرء بالنسبة للمواد السائبة”. يشير التحول الأحمر إلى تغيير في البنية الإلكترونية أو الخصائص البصرية للمادة.

عرف شياو وفريقه، الذين يعملون مع المنظرين فولوديمير توركوسكي وطلعت رحمن من جامعة سنترال فلوريدا، أن الفونونات، أو الاهتزازات البلورية، يجب أن تنشر الإكسيتونات، أو الإثارة البصرية، بطرق غير متوقعة ضمن الأبعاد المحدودة لهذه البلورات فائقة الرقة . . واكتشفوا كيف يؤدي هذا التشتت إلى تغيير فجوة النطاق البصري نحو الطرف الأحمر لطيف الضوء بالنسبة للنظائر الأثقل. تشير “فجوة النطاق البصري” إلى الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لمادة ما لامتصاص الضوء أو بعثه. ومن خلال ضبط فجوة النطاق، يمكن للباحثين جعل أشباه الموصلات تمتص أو تبعث ألوانًا مختلفة من الضوء، وهذه القدرة على التكيف ضرورية لتصميم أجهزة جديدة.

وصف Alex Puretzky من ORNL كيف يمكن للبلورات المختلفة المزروعة على الركيزة أن تظهر تغيرات صغيرة في اللون المنبعث الناجم عن الإجهاد الإقليمي في الركيزة. لإثبات تأثير النظائر الشاذة وقياس حجمه للمقارنة مع التنبؤات النظرية، قام يو بتنمية بلورات ثاني كبريتيد الموليبدينوم مع نظيرين من الموليبدينوم في بلورة واحدة.

قال شياو: “كان عملنا غير مسبوق، حيث قمنا بتصنيع مادة ثنائية الأبعاد باستخدام نظيرين لنفس العنصر ولكن بكتل مختلفة، وقمنا بربط النظائر بشكل جانبي بطريقة محكمة ومتدرجة في بلورة أحادية الطبقة”. “وهذا سمح لنا بملاحظة تأثير النظائر الشاذة الجوهرية على الخصائص البصرية للمادة ثنائية الأبعاد دون التداخل الناجم عن عينة غير متجانسة.”

أظهرت الدراسة أنه حتى التغيير الطفيف في الكتل النظائرية لمواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد الرفيعة ذريًا يمكن أن يؤثر على الخصائص البصرية والإلكترونية – وهي النتيجة التي توفر أساسًا مهمًا لمزيد من البحث.

“في السابق، كان يُعتقد أنه لصنع أجهزة مثل الأجهزة الكهروضوئية وأجهزة الكشف الضوئي، نحتاج إلى الجمع بين مادتين مختلفتين من أشباه الموصلات لإنشاء وصلات لاحتجاز الإكسيتونات وفصل شحناتها. ولكن في الواقع، يمكننا استخدام نفس المادة وتعديلها ببساطة وقال شياو: “نظائرها عن طريق إنشاء تقاطعات نظائرية لاحتجاز الإكسيتونات”. “يخبرنا هذا البحث أيضًا أنه من خلال الهندسة النظائرية يمكننا ضبط الخصائص البصرية والإلكترونية لتصميم تطبيقات جديدة.”

بالنسبة للتجارب المستقبلية، يخطط شياو والفريق للتعاون مع خبراء في مفاعل النظائر عالي التدفق التابع لـ ORNL ومديرية علوم وهندسة النظائر. يمكن لهذه المرافق توفير العديد من السلائف النظائرية عالية التخصيب لتنمية مواد ثنائية الأبعاد نقية نظائريًا مختلفة. سيتمكن الفريق بعد ذلك من دراسة التأثير النظائري على خصائص الدوران بمزيد من التفصيل بهدف تطبيقها في إلكترونيات الدوران والانبعاث الكمي.

تم دعم هذا العمل من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، وعلوم الطاقة الأساسية، وعلوم المواد وقسم الهندسة، وتم تنفيذه في مركز علوم المواد النانوية، أو CNMS، في ORNL، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم. يدعم CNMS قياسات TOF-SIMS وSTEM والتحليل الطيفي البصري.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى