قد يحل مركب جديد محل المواد السامة مثل الزئبق والكادميوم وتيلوريد (HgCdTe) وزرنيخيد الغاليوم (GaAs) المستخدمة كأشباه موصلات على الأقل في تطبيقات الاستشعار عن بعد بالأشعة تحت الحمراء القريبة.
المصدر: المعهد الياباني للتكنولوجيا. ترجمة د. موشيه نحماني
قد يحل مركب جديد محل المواد السامة مثل الزئبق والكادميوم وتيلوريد (HgCdTe) وزرنيخيد الغاليوم (GaAs) المستخدمة كأشباه موصلات فجوة الطاقة المباشرة في الأجهزة المستخدمة في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).
اكتشف العلماء مكونًا محتملًا واعدًا للاستخدام في أجهزة الكشف وأجهزة LED في مجال الأشعة تحت الحمراء. المركب - الذي يتكون من الكالسيوم والحديد والأكسجين - رخيص الإنتاج وغير سام. تحتوي العديد من أشباه الموصلات المستخدمة في مجال الأشعة تحت الحمراء على مواد كيميائية سامة، مثل الكادميوم والتيلوريوم. يمكن استخدام المادة الجديدة لتطوير أشباه موصلات أرخص وأكثر أمانًا لاستخدامها في مجال الأشعة تحت الحمراء.
اكتشف باحثون من المؤسستين: المعهد الوطني لعلوم المواد (NIMS) ومعهد طوكيو للتكنولوجيا بشكل مشترك أن المركب الكيميائي Ca3SiO هو شبه موصل ذو فجوة طاقة مباشرة، وهي خاصية تجعله مكونًا محتملاً واعدًا للاستخدام في أجهزة الكشف وأجهزة LED في مجال الأشعة تحت الحمراء. وهذا المركب، الذي يتكون من عناصر الكالسيوم والحديد والأكسجين، رخيص الإنتاج وغير سام.
وتستخدم الأطوال الموجية في نطاق الأشعة تحت الحمراء في العديد من التطبيقات، بما في ذلك في مجالات اتصالات الألياف الضوئية وتوليد الطاقة الكهروضوئية وأجهزة الرؤية الليلية. تحتوي أشباه الموصلات الموجودة القادرة على إصدار إشعاع في منطقة الأشعة تحت الحمراء (أي أشباه الموصلات ذات الانتقال المباشر) على مركبات سامة، مثل الزئبق والكادميوم والتيلوريد والغاليوم والزرنيخ. أشباه الموصلات الخالية من المكونات الكيميائية السامة عمومًا غير قادرة على إصدار إشعاعات في نطاق الأشعة تحت الحمراء (أي أشباه الموصلات غير المباشرة). ولذلك هناك طلب في السوق على تطوير أجهزة الأشعة تحت الحمراء ذات التطبيقات المهمة والتي تتكون من أشباه الموصلات غير السامة مع وجود فجوة طاقة في مجال الأشعة تحت الحمراء. عادة، يتم التحكم في خصائص شبه الموصل، مثل فجوة الطاقة الخاصة به، من خلال مزيج من عنصرين كيميائيين من العائلتين الموجودتين على الجانبين الأيسر والأيمن من العائلة V في الجدول الدوري للعناصر، على سبيل المثال - عنصر من العائلة III مدمجة مع عنصر من العائلة V؛ أو عنصر من العائلة II مع عنصر من العائلة VI. من خلال هذه الاستراتيجية المعتادة، يتم تقليل فجوة الطاقة باستخدام عناصر أثقل - ونتيجة لذلك، أدت هذه الاستراتيجية إلى تطوير أشباه الموصلات الانتقالية المباشرة المكونة من عناصر سامة، مثل تيلوريد الزئبق والكادميوم وزرنيخيد الغاليوم.
من أجل اكتشاف أشباه موصلات جديدة خالية من العناصر السامة، اتخذ الباحثون نهجًا غير عادي: فقد ركزوا على الهياكل البلورية التي تستخدم فيها ذرات الزنك كأنيونات رباعية التكافؤ بدلاً من تكوينها المعتاد على شكل كاتيونات رباعية التكافؤ. اختارت المجموعة البحثية نهاية سلسلة من التجارب على مبيدات الأوكسيسيليك (Ca3SiO) بالإضافة إلى أوكسيجرمانيدات في بنية بلورية بيروفسكايت مقلوبة، وتم تصنيعها وتقييم خصائصها الفيزيائية وإجراء الحسابات النظرية. وكشفت هذه التجارب أن هذه المركبات لديها فجوة طاقة منخفضة تبلغ حوالي 0.9 إلكترون فولت عند طول موجة يبلغ 1.4 ميكرومتر، وهي النتائج التي تشير إلى إمكاناتها الكبيرة كأشباه موصلات مباشرة. يمكن أن تسمح هذه الخاصية لهذه المواد بامتصاص وكشف وإصدار أطوال موجية طويلة في نطاق الأشعة تحت الحمراء حتى عند دمجها كطبقات رقيقة، وهي خاصية من شأنها أن تجعلها مواد محتملة للاستخدام كأشباه موصلات في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريب للتطبيقات في أجهزة الأشعة تحت الحمراء، مثل أجهزة LED ) والكاشفات.
في المستقبل، يخطط الباحثون لتطوير أجهزة LED عالية الطاقة وكاشفات الأشعة تحت الحمراء الحساسة بشكل خاص من خلال تخليق هذه المركبات في تكوين بلورات مفردة كبيرة، لتطوير عمليات مبتكرة لتنمية طبقات رقيقة والتحكم في خصائصها الفيزيائية من خلال التطعيم والتحويل. منهم إلى حلول صلبة. وإذا أثمرت جهود الباحثين، فسيكون من الممكن تحويل المكونات السامة داخل أشباه الموصلات إلى مكونات غير سامة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
تعمل المادة الجديدة بطول موجة يبلغ 1.4 ميكرون، وهو قريب من الأشعة تحت الحمراء. تعمل أجهزة تيلوريد الزئبق والكادميوم بطول موجة يتراوح من 8 إلى 14 ميكرون. هذه استخدامات مختلفة تمامًا. ويمكن استخدام المادة الجديدة لمصادر وكاشفات الألياف الضوئية، ولكن ليس للاستخدامات في المجال الحراري.