الكميات في البعد النانومتري

ماذا يحدث داخل الترانزستور بأبعاد نانومترية؟ كيف يمكن التحكم في الموصلية الكهربائية في جهاز إلكتروني صغير؟ * وكيف يمكن مضاعفة كفاءة الألواح الشمسية المعتمدة على الجسيمات النانوية؟ * يوضح البروفيسور عيران رباني من قسم الفيزياء الكيميائية أنه عندما تصل إلى أبعاد متناهية الصغر، فإن العديد من التأثيرات تعتمد على الظواهر الكمومية، وتضع أساسًا علميًا للتطورات التكنولوجية المستقبلية

يقول البروفيسور راباني: "في نهاية القرن التاسع عشر، كان هناك اعتقاد واسع النطاق بين الفيزيائيين بأن جميع قوانين الطبيعة الأساسية قد تم اكتشافها بالفعل". "ثم، في بداية القرن العشرين، تم تطوير ميكانيكا الكم، التي فتحت لهم عالمًا جديدًا: عالم أصغر المقاييس - الجزيئات والذرات والإلكترونات وما إلى ذلك. أعادت ميكانيكا الكم إحياء الفيزياء، وشارك فيها بعض أعظم علماء القرن العشرين. اليوم، عندما نتعامل مع عالم النانومتر، نفهم أنه عندما نصل إلى الأبعاد الدقيقة، فإن العديد من التأثيرات تعتمد على الظواهر الكمومية. التكنولوجيا الحديثة، التي تسعى جاهدة لتقليل المكونات الإلكترونية أكثر فأكثر، سوف تضطر في مرحلة ما إلى التعامل مع القضية الكمومية. نحاول في مجموعتي وصف الظواهر الكمومية بدقة والتعامل مع تأثيرها على أجهزة النانومتر."

وفيما يلي عدة أمثلة من أبحاث البروفيسور رباني في مجال علم النانو:

الترانزستور الجزيئي
فماذا يحدث، على سبيل المثال، في الترانزستور - وهو مكون أساسي في كل جهاز إلكتروني - عندما يصل إلى حجم جزيء واحد؟ كيف يتدفق الإلكترون عبر الجزيء؟ ولتحقيق هذه الغاية، من المهم دراسة وفهم خصائص موصلية المواد على مستوى النانومتر، والمشكلة معقدة بشكل خاص لأنها تيار: أي نظام غير متوازن. ولحل مشاكل من هذا النوع، طور البروفيسور رباني أسلوبًا حسابيًا مبتكرًا، يعتمد على "تكاملات المسار" - وهو نهج طوره مؤسس تكنولوجيا النانو، ريتشارد بيمان. إن النهج الرائد الذي اتبعه البروفيسور رباني يجعل من الممكن التنبؤ بدقة بموصلية المادة على مقياس النانومتر.

التخصيب في البعد نانومتر
جميع الأجهزة الإلكترونية التي نعرفها اليوم تعتمد على أشباه الموصلات (مثل السيليكون)، والتي تحتوي على إضافات (عزلات) لمواد تغير من الموصلية. ومن خلال هذه الاتصالات، يتمكن مطورو الجهاز من التحكم الأمثل في الخصائص الإلكترونية للمواد، والتكيف مع الاستخدامات المختلفة. ولكن ماذا يحدث لأشباه الموصلات والمواد العازلة على مقياس النانومتر؟ "لسنوات عديدة، حاول الباحثون حقن الشوائب في الجسيمات النانوية، ولكن دون جدوى. يقول البروفيسور رافاني: "بدون السبائك، فإن إمكانية استخدام أشباه الموصلات النانومترية، واستخدامها لإنتاج أجهزة صغيرة، محدودة للغاية".

وقد وجدت مجموعة بحث البروفيسور رباني، بالتعاون مع مجموعة من الجامعة العبرية، حلاً للمشكلة المعقدة. وطور الباحثون من جامعة تل أبيب نموذجا نظريا يشرح الخواص الإلكترونية للأقطاب الكهربائية المحاصرة داخل شبه موصل نانومتري، بينما نفذ زملاؤهم في القدس فعلا عملية الترسيب الكهربائي المبتكرة. تتيح التطورات الجديدة التحكم الأمثل في الخواص الإلكترونية والبصرية لأشباه الموصلات النانومترية، كأساس لمجموعة واسعة من التطورات التطبيقية في المستقبل.

مضاعفة الكفاءة
وبحسب البروفيسور رباني فإن "العديد من الخلايا الشمسية تعمل وفق المبدأ التالي: عندما تمتص المادة ضوء الشمس، تنتقل الإلكترونات إلى حالة مثارة. كل فوتون (جسيم ضوئي) يتم امتصاصه يثير إلكترونًا واحدًا، ويترك الإلكترون المثار وراءه فجوة. يؤدي الانفصال بين الإلكترون والثقب إلى توليد شحنة كهربائية، وتقوم الأقطاب الكهربائية المتصلة بالخلية بجمع الشحنات. هذه هي الطريقة التي يتم بها إنشاء تيار كهربائي." الخلية الشمسية التي تعمل بهذه الطريقة قادرة على استغلال ما يصل إلى 31% من الطاقة الشمسية التي تستقبلها، وهذا بحسب نظرية تم إثباتها بالفعل في الستينيات. والمشكلة هي أن تكلفة إنتاج مثل هذه الخلايا مرتفعة جداً مقارنة بالفوائد التي يمكن الحصول عليها منها. ولهذا السبب يبحث العلماء في جميع أنحاء العالم عن طريقة لزيادة الاستفادة من ناحية، وخفض التكاليف من ناحية أخرى.

يوضح البروفيسور رافاني: "سعى العديد من الباحثين إلى زيادة استخدام الخلايا باستخدام طريقة تُعرف باسم "مضاعفة الشحنة". "المعنى هو أن كل فوتون تمتصه المادة سيخلق حاملين للشحنة بدلاً من حامل واحد. ووفقا للنظرية فإن نسبة الاستفادة من مثل هذه الخلية يمكن أن تصل إلى 50%. لقد قمنا بدراسة عملية مضاعفة الشحن في الألواح الشمسية المعتمدة على الجسيمات النانوية، وتوصلنا إلى استنتاجات مثيرة للاهتمام." فمن ناحية، أثبت الباحثون أن الطريقة غير فعالة في الألواح المعتمدة على تكنولوجيا النانو التقليدية، لكنهم أظهروا لاحقًا كيف أنه من خلال إضافة عناصر فيزيائية معينة، سيكون من الممكن بناء خلايا شمسية تتم فيها عملية مضاعفة الشحنة بكفاءة، والتي سوف تسفر عن النتائج المرجوة.

البروفيسور عيران رباني هو نائب رئيس البحث والتطوير في جامعة تل أبيب، وعضو هيئة التدريس في قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء. يعتبر رائدا في مجال نظرية الأنظمة المعقدة على مقياس النانومتر، ويتعامل في مجموعة متنوعة من المجالات: التنظيم الذاتي للجسيمات النانوية، الخصائص الهيكلية والإلكترونية للجسيمات النانوية، نقل الطاقة والشحنة على مقياس النانومتر، الجزيئات. الموصلية، وديناميكيات الكم متعددة الجسم. ينشط البروفيسور رباني في المنظمات العلمية الأوروبية والأمريكية، وكان عضوًا في المنتديات العلمية للأكاديمية الوطنية الإسرائيلية للعلوم، وعالمًا زائرًا في جامعات رائدة في العالم، بما في ذلك جامعة هارفارد، وكولومبيا، وبيركلي، وإيكول نورمال في باريس. نُشرت دراساته العديدة في أهم المجلات العلمية، وحصل على العديد من المنح والجوائز منها منحة كلور، ومنحة ألون، ومنحة مؤسسة روتشيلد ومؤسسة فولبرايت، وجائزة مركز ميلر في بيركلي، ومؤسسة ياد هنديف. جائزة برونو، جائزة الجمعية الكيميائية الإسرائيلية، جائزة فريدنبرغ، جائزة بيرغمان، جائزة باتاي وجائزة ألفينغ.