نجح الباحثون في كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون في تغيير الخواص الكهربائية للمادة عن طريق إزالة ذرة الأكسجين من الهيكل الأصلي. التطبيقات الممكنة: التصغير الإلكتروني وكشف الانبعاثات الإشعاعية
ما هو القاسم المشترك بين تصوير الجنين بجهاز الموجات فوق الصوتية، والاتصالات الخلوية في الأجهزة المحمولة، والمحركات الصغيرة وذاكرات الكمبيوتر التي تعمل بطاقة قليلة؟ كل هذه التقنيات مبنية على المواد الكهروضوئية - مواد تتميز بالارتباط القوي بين بنية الذرات الموجودة في المادة وخواصها الكهربائية والميكانيكية.
والآن، نجح الباحثون في التخنيون في تغيير خصائص المواد الكهروضوئية عن طريق إزالة ذرة أكسجين واحدة من الهيكل الأصلي. ومن خلال القيام بذلك، فإنهم يفتحون آفاقًا لتطوير تقنيات جديدة. قاد البحث الدكتور ياشين عفري من كلية علوم وهندسة المواد مع طالبة ما بعد الدكتوراه الدكتورة هامبارافا هالينجوفان وطالبة الدكتوراه ميا برزيلاي، ونشر فيأكس نانو. ومن الجدير بالذكر أن إزالة ذرة الأكسجين من مكانها يمثل تحديًا كبيرًا نظرًا لصغر وزن ذرات الأكسجين، لذا فإن الإنجاز المذكور مثير للإعجاب بشكل خاص.
في المواد الكهروضوئية، تتسبب إزاحة صغيرة للذرات في حدوث تغيرات كبيرة في المجال الكهربائي وفي انكماش المادة أو تمددها. ويرجع هذا التأثير إلى أن وحدة التكرار الأساسية في المادة تتضمن ذرات مرتبة في بنية غير متماثلة.
لتوضيح الجملة الأخيرة، سنأخذ على سبيل المثال مادة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف تسمى تيتانات الباريوم. وفي هذه المادة، تشكل الذرات بنية تشبه المكعب، بداخلها ذرة واحدة من التيتانيوم وذرات أكسجين. وتحدث ظاهرة فريدة في هذه المواد: تحرك ذرة التيتانيوم مبتعدة عن ذرات الأكسجين. نظرًا لأن التيتانيوم له شحنة كهربائية موجبة والأكسجين له شحنة سالبة، فإن المسافة بينهما تخلق استقطابًا، أي ثنائي القطب الكهربائي.
للمكعب ستة وجوه، لذا تنتقل الذرات المشحونة إلى أحد الاحتمالات الستة. في مناطق مختلفة من المادة، يتحرك عدد كبير من الذرات المتجاورة في نفس الاتجاه ويكون الاستقطاب في كل منطقة من هذه المناطق، والمعروف باسم المجال الفيروكهربائي، منتظمًا.
تعتمد التقنيات التقليدية على المجال الكهربائي الذي يتم إنشاؤه في تلك المناطق. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، تم بذل جهد هائل لتقليل الأجهزة والاستفادة منهاحدود بين المجالات بدلاً من المجالات نفسها، وبالتالي تحويل الأجهزة من الهياكل ثلاثية الأبعاد إلى الهياكل ثنائية الأبعاد. لا يزال الباحثون منقسمين حول ما يحدث في عالم جدران المجال ثنائي الأبعاد: كيف يتم تثبيت الحدود بين منطقتين لهما استقطاب كهربائي مختلف؟ هل تمتلك جدران المجال استقطابًا كهربائيًا مختلفًا عن المجالات نفسها؟ هل من الممكن التحكم في خصائص جدران المجال بطريقة نقطة بنقطة؟
وفي الدراسة، تمكن الباحثون من فك رموز بنية الذرات وترتيب المجال الكهربائي في جدران المجالات على المستوى الذري. وفي مقال في ACS Nano يؤكد الباحثون الفرضية القائلة بأن جدران المجال تمكن من وجود حدود ثنائية الأبعاد بين المجالات نتيجة خروج بعض ذرات الأكسجين في المناطق المشتركة بين المجالين من المادة، مما يسمح بالمزيد من المرونة في ترتيب المجال الكهربائي المحلي. تمكن الباحثون من "إخفاء" ذرة أكسجين واحدة، وأظهروا أن هذه العملية تخلق ثنائيات أقطاب مقلوبة وتماثلًا كهربائيًا أعلى - وهي بنية طوبولوجية فريدة تسمى رباعي القطب.
وبمساعدة عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها لي شيو من جامعة ويسترليك في الصين، أظهر الباحثون أن إزالة ذرة الأكسجين لها تأثير كبير على الخواص الكهربائية للمادة ليس فقط على المستوى الذري ولكن أيضًا على نطاق مناسب للأجهزة الإلكترونية - على سبيل المثال في جانب التوصيل الكهربائي. وهذا يعني أن هذا الإنجاز العلمي قد يساعد في تصغير مثل هذه الأجهزة.
علاوة على ذلك، أظهر باحثو التخنيون، بالتعاون مع باحثين من معهد الأبحاث النووية في النقب، أنه يمكن تحقيق التخلص من ذرة الأكسجين عن طريق تعريض المادة لإشعاع الإلكترون. ولذلك، بالإضافة إلى الإمكانات التكنولوجية للاكتشاف في مجال الإلكترونيات، قد يكون من الممكن استخدام التأثير ل كاشف الإشعاع ومن خلال القيام بذلك، يتم تحديد موقع الأعطال النووية مسبقًا وبالتالي منع حدوث أعطال نووية مثل الكارثة التي حلت بالمفاعل في فوكوشيما قبل بضع سنوات.
تم تمويل البحث، الذي تم إجراؤه في مرافق الفحص المجهري في كلية علوم وهندسة المواد، من قبل مؤسسة العلوم الإسرائيلية ومؤسسة بيتزي. ويعمل مختبر الهياكل النانوية والكمية الوظيفية، برئاسة الدكتور إيفاري، بدعم من برنامج زوكرمان للقيادة في العلوم والتكنولوجيا.
لمقال في ACS نانو انقر هنا
