من الماس إلى هياكل الكربون الذكية… فيزيائيون روس يحرزون تقدما في إلكترونيات الجيل القادم
احمد مدنى : شعاع نيوز
اكتشف علماء في الجامعة الوطنية للأبحاث النووية الروسية كيف يمكن لتسخين مادة كربونية فائقة الرقة تُسمى “ديامان”، أن يُنشئ مناطق ذات خصائص كهربائية مختلفة. قد يُسهم هذا الاكتشاف في تطوير أجهزة إلكترونية أصغر حجمًا وأسرع وأكثر مرونة
تعتمد الإلكترونيات الحديثة بشكل كبير على السيليكون، ولكن مع تصغير حجم الأجهزة، يبحث العلماء عن مواد جديدة قادرة على التغلب على بعض قيوده. يُعدّ “ديامان” أحد الخيارات الواعدة، وهي مادة ثنائية الأبعاد تُسمى أحيانًا “الماس ثنائي الأبعاد
ويتكون “ديامان” من طبقتين من الجرافين متصلتين بروابط كيميائية، وهو يجمع بين بعض خصائص الجرافين والماس: فهو رقيق للغاية وله خصائص كهربائية وميكانيكية مميزة. ووفقًا لكونستانتين كاتين، الأستاذ ورئيس مختبر المواد النانوية ثنائية الأبعاد في الإلكترونيات والفوتونيات والإلكترونيات الدورانية، فإن ديامان يُشبه الماس في صلابته وخصائصه العازلة مع الحفاظ على كونه مادة ثنائية الأبعاد
استخدم باحثو المعهد النمذجة الحاسوبية لدراسة ما يحدث لمادة “الديامان” عند تسخينها، وأظهرت حساباتهم أن العملية تبدأ عندما تغادر ذرة هيدروجين المادة، وهو ما يتطلب طاقة تُقدّر بنحو 2.59 إلكترون فولت. يؤدي فقدان ذرة واحدة إلى عدم استقرار البنية، وقد يُحفّز ذلك إزالة ذرات الهيدروجين من طبقة الجرافين المقابلة
يُؤدي هذا إلى تفاعل متسلسل، فمع مغادرة ذرات الهيدروجين، تنكسر بعض الروابط بين طبقتي الجرافين، وتتحول هذه المناطق تدريجيًا إلى ثنائي الجرافين، بينما تبقى أجزاء أخرى من الديامان
وتُعدّ هذه النتيجة مثيرة للاهتمام بشكل خاص في مجال الإلكترونيات: إذ يُمكن لمادة واحدة أن تحتوي على مناطق ذات خصائص كهربائية مختلفة. فمناطق الديامان تعمل كعوازل، ومناطق ثنائي الجرافين موصلة للكهرباء، بينما قد يمتلك الحد الفاصل بينهما خصائص شبيهة بأشباه الموصلات
وهذا أمر بالغ الأهمية لأن كل جهاز إلكتروني يحتاج إلى موصلات وأشباه موصلات وعوازل. تقليديًا، تُؤدّى هذه الوظائف بواسطة مواد مختلفة، وقد تُؤدي أسطح التماس بينها إلى تعقيدات إضافية نظرًا لاختلاف هياكل هذه المواد، وقد يجمع نظام قائم على الكربون وظائف متعددة ضمن بنية واحدة
وأوضح الباحثون أنه “يجب أن يحتوي أي جهاز إلكتروني على موصلات وأشباه موصلات وعوازل. سابقًا، كانت تُستخدم مواد مختلفة لهذا الغرض”، وأظهرت المحاكاة أيضًا مدى صغر هذه البنى. قد لا يتجاوز قطر “جزيرة” الديامان المستقرة 0.3 نانومتر، وتحتوي على ثماني ذرات هيدروجين فقط. على هذا النطاق، يعمل العلماء على بنى لا يتجاوز عرضها بضع ذرات
وقد استخدم الباحثون طريقة حسابية خاصة طُوّرت في معهد موسكو للفيزياء الفيزيائية لدراسة هذه العمليات. تعدّ النمذجة أمرًا بالغ الأهمية لأن تتبع ملايين الذرات وسلوكها الكمومي بشكل مباشر أمر في غاية الصعوبة، حتى بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر فائقة القدرة، لذا طوّر فريق البحث هذه الطريقة في الفترة من 2008 إلى 2011، واستخدمها منذ ذلك الحين لدراسة مواد وأنظمة فيزيائية مختلفة
قد تُسهم هذه النتائج في تطوير الإلكترونيات ثنائية الأبعاد والكربونية بالكامل. تُعدّ المواد الكربونية، مثل الجرافين، جذابة لأنها رقيقة للغاية ومرنة وقادرة على دعم العمليات الإلكترونية السريعة، وقد تُستخدم هذه المواد في نهاية المطاف في الإلكترونيات النانوية المتقدمة، والفوتونيات، وغيرها من التقنيات
وتُظهر الدراسة، المنشورة في مجلة “الماس والمواد ذات الصلة”، فكرة واعدة: فبدلًا من استخدام مواد مختلفة لوظائف إلكترونية مختلفة، قد يتمكن العلماء من ابتكار هذه الوظائف داخل بنية كربونية فائقة الرقة من خلال التحكم في ترتيبها الذري، وإذا ما تم تطوير هذا النهج بنجاح وإثباته تجريبيًا، فقد يُشكّل خطوة أخرى نحو جيل جديد من الإلكترونيات الأرق والأسرع والأكثر مرونة
