طريقة من خطوة واحدة لطلاء الجرافين

قد تسهل الطريقة التي تم تطويرها في معهد جورجيا للتكنولوجيا إنتاج أسلاك نانوية يمكنها توصيل الكهرباء في الإلكترونيات القائمة على الجرافين

يمكن لعملية بسيطة من خطوة واحدة، تنتج طلاء من النوع p وn لأسطح الجرافين الواسعة، أن تعزز استخدام هذه المادة الواعدة للأجهزة الإلكترونية المستقبلية. يمكن أيضًا استخدام طريقة الطلاء المبتكرة لزيادة التوصيل الكهربائي في شرائح الجرافين النانوية المستخدمة في اتصالات الكمبيوتر.

من خلال الجمع بين مادة الغزل على الزجاج (SOG) المتاحة تجاريًا مع الجرافين وتعريضها لإشعاع شعاع الإلكترون، تمكن الباحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا بالولايات المتحدة الأمريكية من إنشاء كلا النوعين من الطلاء ببساطة عن طريق تغيير وقت التعرض الشعاع - تؤدي المستويات العالية من الإشعاع إلى ظهور مجمعات من النوع p، بينما تؤدي المستويات المنخفضة إلى ظهور مجمعات من النوع n.

تم استخدام الطريقة لتحضير وصلات pn عالية الجودة. إذا نجح الباحثون في جعل المعدن أقل نشاطًا كيميائيًا، فإنهم يتوقعون أن تظل الموصلية الناتجة في صفائح الجرافين ثابتة.

يقول أحد الباحثين: "هذه خطوة يمكن أن تؤدي إلى تقدم الإعداد المحتمل للترانزستورات القائمة على الجرافين وأكاسيد المعادن التكميلية". ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Applied Physics Letters.

تبدأ عملية الطلاء المبتكرة عندما يقوم الباحثون بإزالة رقائق الجرافين، التي يتراوح سمك كل منها من طبقة إلى أربع طبقات، من كتلة من الجرافيت. يقومون بوضع الطبقات على سطح من القصدير المؤكسد وتشغيل جهاز اتصال مناسب على النظام.

بعد ذلك، يقومون بتدوير طبقات من مادة هيدروجين سيلسيسكوكسان الحساسة للضوء (HSQ)، ثم يقومون بتثبيت أجزاء معينة من الطبقة الرقيقة الناتجة باستخدام إشعاع شعاع الإلكترون. توفر هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في كمية الإشعاع والنقاط الدقيقة في الجرافين الذي يتم تطبيقه عليه، إلى جانب مستويات أعلى من الطاقة، التي يتم الحصول عليها من زيادة التشابك في مادة HSQ.

يوضح أحد الباحثين: "لقد قمنا بتنشيط مستويات مختلفة من إشعاع الإلكترون ثم قمنا بفحص تأثيرها على خصائص حاملات الشحنة في شبكة الجرافين". "لقد زودنا شعاع الإلكترون بنطاق حاد من التحكم لا يقدر بثمن لإنتاج أجهزة النانومتر. نحن قادرون على تشغيل شعاع إلكتروني يبلغ قطره أربعة أو خمسة نانومتر فقط، مما يسمح لنا بالحصول على أنماط طلاء دقيقة للغاية."

ويشير الباحثون إلى أن القياسات الكهربائية أظهرت أن تقاطع pn في الجرافين، الذي تم إنشاؤه بواسطة الطريقة الجديدة، لديه فصل طاقة عالي - وهي حقيقة تشير إلى تأثيرات توصيل قوية. وقد أثبت الباحثون في مختبرات أخرى حول العالم ترسيب الجرافين في مجموعة متنوعة من العمليات، بما في ذلك غمر المادة في محاليل مختلفة وتعريضها لمجموعة متنوعة من الغازات. العملية الجديدة هي الأولى التي تسمح بالطلاء الإلكتروني والطلاء بالثقوب في نفس المادة.

ويشير الباحثون إلى أن عمليات طلاء الجرافين من المفترض أن تكون مختلفة تمامًا عن تلك المستخدمة اليوم في طلاء زورن. بالنسبة لزوران، في مرحلة الطلاء، يتم تحويل ذرات شبكة زوران إلى ذرات مادة أخرى. في العملية الجديدة المكونة من خطوة واحدة لربط الجرافين، يعتقد الباحثون أن الربط يسمح بإدخال ذرات الهيدروجين والأكسجين بالقرب من شبكة الكربون. ولا تقوم ذرات الهيدروجين والأكسجين بتحويل ذرات الكربون، ولكنها تحتل أماكن فوق بنية الشبكة.
يوضح أحد الباحثين: "الطاقة التي يتم توفيرها للزجاج المدور تكسر الروابط الكيميائية وتطلق ذرات الهيدروجين والأكسجين التي ترتبط بدلاً من ذلك بشبكة الكربون". "إن طاقة الإلكترون القوية تغير البنية الكاملة للزجاج المغزلي إلى نوع من الشبكة، ومن ثم يتم تشكيل ذرات أكسجين أكثر من الهيدروجين وبالتالي يتم الحصول على المنشطات من النوع n."

ويوضح الباحث أنه في حالة الإنتاج الضخم، من المحتمل أن يتم استبدال إشعاع شعاع الإلكترون بعمليات الطباعة الحجرية العادية. إن التغيير في درجة الانعكاس (الانعكاس) أو درجة الإرسال (الانتقال) لمجموعة القناع سيؤدي إلى التحكم في كمية الإشعاع التي تصل إلى الزجاج المغزلي، وهذا سيحدد، في النهاية، ما إذا كان من النوع n أو سيتم إنتاج مناطق من النوع p.

ويقول: "إن القيام بكل الحركات في خطوة واحدة سيؤدي إلى تجنب بعض خطوات الطباعة الحجرية الباهظة الثمن". "ستمكن الطباعة الحجرية ذات التدرج الرمادي من التحكم الدقيق في الطلاء على طول سطح الرقاقة بالكامل."

ولوصف مساحات كبيرة كوصلات، والتي لا تتطلب إدخال قوالب فيها، سيقوم الباحثون ببساطة بتغطيتها بمادة HSQ وتعريضها لمصدر البلازما. هذه الطريقة قادرة على زيادة موصلية الشرائح النانوية بما يصل إلى عشر مرات أكثر من الجرافين غير المعالج.

نظرًا لأن مادة HSQ معروفة جيدًا بالفعل في صناعة الإلكترونيات الدقيقة، فإن نهج الخطوة الواحدة يمكن أن يساعد في تكييف الجرافين مع العمليات الحالية، مع تجنب التغيير في أنظمة معالجة وتصنيع أشباه الموصلات. ويعتزم الباحثون التوصل إلى فهم أفضل لكيفية حدوث العملية بالضبط وما إذا كانت البوليمرات الأخرى ستؤدي إلى تحسين الأداء.

الأخبار من معهد البحوث