تقنية إنتاج جديدة يمكنها تمهيد الطريق لمكونات إلكترونية مرنة

طوَّر فريق من جامعة إكستر (University of Exeter) تقنيةً مبتكرة يمكن أن تساعد على خلق الجيل القادم من الإلكترونات اليومية المرنة (الإلكترونيات المرنة المعروفة باسم الدوائر المرنة أيضًا؛ هي تقنية تجميع الدوائر الإلكترونية عن طريق تركيب أجهزة إلكترونية على ركائزَ بلاستيكية مرنة؛ إذ يُمكن أن تكون هذه الإلكترونيات المرنة دوائرَ فضية مطبوعة على البوليستر؛ فيُمكن تصنيع الإلكترونيات المرنة باستخدام مكوناتٍ متطابقة مع بعضها في لوحات الدوائر المطبوعة الصُّلبة مما يسمح للوحة بالتوافق مع الشكل المطلوب مع إمكانية ثنيها في أثناء استخدامها).

وقد أدَّى فريق من الخبراء الهندسيين دورًا رائدًا لإيجاد طريقة جديدة لتسهيل إنتاج هياكل فاندرفال غير المتجانسة مع تجمعات ذات عازلية عالية (الثابت k) للمواد البلورية الرقيقة الثنائية الأبعاد، وأحد هذه المواد ثنائية الأبعاد هو الجرافين الذي يتألف من بِنية ذرة كربون على شكل قرص العسل بسماكة تُقدَّر بذرة واحدة فقط.

يرتبط اكتشاف دكتور فريدى من جامعة إكستر وزملائه بتصنيع أجهزة إلكترونية صغيرة جدًّا باستخدام المواد الثنائية الأبعاد التي ستكون لها خاصية إضافية، وهي المرونة في حين أن مزايا بِنية فاندرفال غير المتجانسة موثقة جيدًا؛ فإن تطورَها قد تقيَّد بواسطة طرائق الإنتاج المعقدة.

الآن؛ طور فريق البحث تقنيةً جديدة تسمح لهذه الهياكل بتحقيق قياس مناسب للجُهد وتحسين الأداء وإمكانية إضافة وظائف جديدة عن طريق تضمين عازل أكسيد عالٍ مما يُمهد الطريق لجيل جديد من المكوِّنات الإلكترونية الأساسية المرنة.

وقال الدكتور فريدي ويذرز من جامعة إكستر والمؤلف المشارك في الورقة: "إن طريقتنا في تضمين مواد عازلة ذات ثابت عزل عالٍ قابلة للكتابة بالليزر على أجهزة متنوعة مختلفة دون إتلاف المواد الأحادية الطبقة المجاورة لها تفتح الأبواب أمام أجهزة فانديرفال العملية المرنة في المستقبل؛ مثل الترانزستورات ذات التأثير الموضعي وأجهزة الكشف الضوئي والديودات الباعثة للضوء التي تعمل في النطاق 1-2 فولت"

الفكرة التي وضَّحها فريدي هي بناء بوابات منطقية شبه موصلة -المكون الأساسي لكل الأنظمة الحاسوبية والذي يسمح للتيار بالمرور تحت ظروف معينة مما يسمح بالعمليات الرقمية الفتح والقفل (On and Off)، وهذا يعتمد على العوازل التي يمكنها حجب مرور الإلكترونات ولكن عندما يصبح الجهاز أصغر؛ فإن طبقات العازل تصبح رقيقة أكثر إذ يُمكن للإلكترونات أن تتسرب عن طريق هذه الطبقات عبر التأثيرات الميكانيكية الكمومية (Quantum Mechanical Effects).

وكذلك يبحث الباحثون عن طريقة لاستبدال العوازل بأوكسيدات لها ثابت عزل عالٍ ( يُعرَف بقيمه عالية ل k)؛ مثل هذه المواد يُمكنها تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية في المجال الكهربي، ومن ثمَّ تعمل بوصفها عوازل كهربائية أفضل عندما تكون رقيقة جدًّا، ومع ذلك فإن الطرائق الحالية للحصول على المواد ذات ثابت العزل العالي لا تتوافق مع المواد الثنائية الأبعاد.

ابتكر فريق فريدي طريقة لدمج أوكسيدات ذات ثابت عزل عالٍ في مواد ثنائية الأبعاد؛ ويركز الفريق تركيزًا خاصًّا على طريقة لتضمين أوكسيدات الهافنيوم ذات الرقة الفائقة في الهياكل المتكونة من المواد الثنائية الأبعاد، وتعتمد الطريقة على أكسده ثاني كبريتيد الهافنيوم(HfS2) وهو شبه موصل ذو بنية متعددة الطبقات؛ إذ وضع الفريق شرائح من ثاني كبريتيد الهافنيوم على شكل طبقات سميكة في مجموعة من المواد الثنائية الأبعاد؛ لأن المطلوب هو ثابت عزل عالٍ؛ فتُشرَط الشريحة بضوء ليزر مرئيٍّ، ويؤدي هذا إلى نقل الشحنة داخل شبه الموصل والماء الجوي؛ مما يؤدي إلى الأكسدة وتحويلها إلى أكسيد الهافنيوم.

وقال فريدي: "إن حقيقة البَدء بأشباه الموصلات الثنائية الأبعاد وتحويلها كيميائيًّا إلى أوكسيدها باستخدام أشعة الليزر يسمح بتداخلات عالية الجودة تعمل على تحسين أداء الجهاز".

"ما يُثير اهتمامي أننا وجدنا أن عملية الأكسدة الرئيسية لثاني كبريتيد الهافنيوم يمكن أن تحدث تحت إشعاع الليزر حتى عندما يقع بين مادتين ثنائيتين متجاورتين، وهذا يشير إلى أن الماء يحتاج إلى التنقل بين التداخلات حتى يحدث التفاعل".

لاختبار هذه التقنية؛ صنَّع الفريق ترانزستورات تأثير مجالي تعتمد على الجرافين باستخدام أكسيد الهافنيوم بوصفها مادة لـ "بوابة" الترانزستور، وكما هو موضح في ورقة عن تقدم العلوم؛ فإن هذه المواد تتوافق مع أداء ترانزستورات تأثير المجال الموجودة أصلًا مع خاصية إضافية وهي المرونة، وحسب ما يَدَّعي الفريق؛ فإن هذة التقنية سوف تسمح باستضافة (إنشاء) الأجهزة النانو-إلكترونيه الأساسية والأجهزة الإلكترونية البصرية متضمنة ترانزستورات الجرافين ذات البوابة المزدوجة وترانزستورات الانبعاث الضوئي الرأسية.

إن السعي إلى تطوير أجهزة إلكترونية صغيرة وجعلها ذات حجم أصغر يدعم دعمًا متزايدًا تقدم صناعة أشباه الموصلات العالمية - وهي مجموعة من الشركات التي تضم شركات التكنولوجيا والاتصالات العملاقة مثل؛ سامسونج وتوشيبا - إذ أُعيقَ هذا التقدُّم بسبب التأثيرات الميكانيكية الكُمومية.

المصادر:

1- هنا

2- هنا

الدراسات المرجعية:

1- هنا

2- هنا