طريقة مبتكرة لتصنيع مكونات إلكترونية رفيعة ومرنة للغاية

لقد ثبت حتى الآن أن المستقبل الذي طال انتظاره لتطوير المكونات الإلكترونية التي يمكن ارتداؤها على الجلد أو على الملابس بعيد المنال للغاية، لكن باحثين من جامعة ستانفورد يزعمون أنهم نجحوا في إحداث طفرة في هذا المجال.

[ترجمة د. موشيه نحماني]

كانت الدوائر المطبوعة بالكمبيوتر، والتي تتميز بأنها رقيقة ومرنة للغاية، هدفًا هندسيًا لسنوات عديدة، إلا أن المطبات التقنية حالت دون وصولها إلى مستوى التصغير المطلوب لتحقيق الأداء العالي. والآن، نجح باحثون من جامعة ستانفورد في اختراع طريقة تصنيع تسمح بقبول الترانزستورات المرنة، التي يبلغ سمكها ذرة واحدة ويقل طولها عن مائة نانومتر - وهي أصغر بعدة مرات من أي ترانزستور تم تطويره حتى الآن. وقد تم تفصيل الطريقة في مقال نشر منذ فترة طويلة في مجلة علمية مرموقة إلكترونيات الطبيعة.

وفي ضوء التقدم الذي أحرزه الباحثون في جامعة ستانفورد، فإنهم يدعون أن المجال المسمى "فليكسترونيكس" أصبح الآن أقرب إلى الواقع من أي وقت مضى. تضمن المكونات الإلكترونية المرنة إنتاج دوائر كمبيوتر قابلة للانحناء، للتصميم الهيكلي والتشغيل مع الحفاظ على متطلبات الطاقة الفعالة، وهي مكونات يمكن ارتداؤها على الجسم وحتى زرعها داخل الجسم لأداء عدد لا يحصى من المهام المتعلقة بالصحة. علاوة على ذلك، فإن المجال المتنامي لـ "إنترنت الأشياء"، حيث سيتم دمج كل جهاز تقريبًا في حياتنا اليومية وربطه بمكونات إلكترونية مرنة، يجب أن يستفيد أيضًا من هذه المكونات الإلكترونية.

أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد

من بين المواد الأكثر ملاءمة لتطوير المكونات الإلكترونية المرنة، أظهرت أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد أداءً جيدًا بفضل خصائصها الميكانيكية والإلكترونية، حتى على مقياس النانو، وهي خصائص تجعلها مرشحة أفضل من المواد العضوية أو التقليدية المعتمدة على السيليكون. كان التحدي الهندسي حتى الآن هو أن إنتاج مثل هذه الأجهزة الرفيعة للغاية يتطلب استخدام عملية تتطلب الكثير من الحرارة للركيزة البلاستيكية - فهذه المواد المرنة سوف تذوب ببساطة وتتحلل أثناء الإنتاج. ويوضح الباحثون أن الحل يكمن في تنفيذ هذه العملية على مراحل، بدءًا من ركيزة أساسية غير مرنة على الإطلاق. فوق لوح صلب من السيليكون المغطى بالزجاج، أنشأ الباحثون طبقة رقيقة بسمك ذري تعتمد على شبه موصل ثنائي الأبعاد من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS)₂) مغطاة بأقطاب ذهبية نانومترية بنمط هيكلي محدد. ونظرًا لأن هذه الخطوة تتم على ركيزة سيليكون عادية، فإنه يمكن تصميم الأبعاد النانومترية للترانزستور بمساعدة طرق التصميم المتقدمة، مع الحصول على قدرة فصل غير ممكنة على ركيزة بلاستيكية مرنة. تسمح طريقة إنتاج الطبقة، المعروفة باسم "ترسيب البخار الكيميائي" (CVD)، بإضافة طبقة ذرية واحدة فقط من MoS₂  كل مرة. الطبقة النهائية الناتجة يبلغ سمكها ثلاث ذرات فقط، ولكنها تتطلب درجة حرارة 850 درجة مئوية حتى تعمل بشكل صحيح. وعلى سبيل المقارنة، فإن الركيزة المرنة المألوفة - والتي تتكون من مادة البوليميد (البلاستيك الرقيق) - ستفقد شكلها بالفعل وتتشوه عند درجة حرارة 360 درجة مئوية، بل وتتفكك تمامًا مع ارتفاع درجة الحرارة أكثر فأكثر.

من خلال إنشاء هذه الأجزاء الأساسية أولاً على ركيزة سيليكون صلبة وتبريد النظام، يمكن للباحثين الحصول على المادة المرنة في التكوين المطلوب دون الإضرار بها. مع حمام بسيط من الماء منزوع الأيونات، يتقشر الجهاز الداخلي بالكامل بعيدًا عن الطبقة الخارجية، ويتم الآن نقله بالكامل إلى البوليميد المرن. وبعد عدة خطوات تصنيع إضافية، تكون النتيجة ترانزستورًا مرنًا قادرًا على توفير أداء أعلى من أي ترانزستور آخر أحادي الذرة قائم على أشباه الموصلات. "في النهاية، يبلغ سمك الهيكل النهائي خمسة ميكرونات فقط، بما في ذلك البوليميد المرن، كما يوضح الباحث الرئيسي. وهذا الحجم أصغر بعشر مرات من سمك شعرة الإنسان." 

بعد إنشاء النموذج الأولي والتقدم بطلب للحصول على براءة اختراع لمنتجهم، ينتقل الباحثون إلى التحديات التالية التي يواجهونها، وبشكل أساسي لتحسين الجهاز. لقد صنعوا بالفعل ترانزستورات مماثلة باستخدام مواد أخرى من أشباه الموصلات أحادية الذرة، وهي MoSe₂ و WSe₂، وهذا من أجل إثبات قابلية التطبيق على نطاق واسع لهذه الطريقة. وفي الوقت نفسه، يوضح الباحث الرئيسي أنه سيحاول دمج دوائر الراديو في الجهاز مستقبلاً، وهي نتيجة ستمكن من تطوير اتصالات لاسلكية مصغرة ومرنة في المستقبل، خاصة في تلك الأجهزة المخصصة للزراعة داخل جسم الإنسان. على سبيل المثال جهاز تنظيم ضربات القلب. "إن نتائج بحثنا هي أكثر بكثير من مجرد طريقة إنتاج واعدة - فقد تمكنا من تحقيق المرونة والكثافة والأداء العالي والضغط المنخفض - كل الميزات معًا في نفس الوقت."

ملخص المقال

أخبار الدراسة

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• ابتكر باحثون من جامعة تل أبيب ذاكرة كهربائية يبلغ سمكها ذرتين فقط
• اكتشف الباحثون موقعًا تحفيزيًا جديدًا
• خلايا شمسية قابلة للتمدد