تحقيق حلم قديم: أكسيد الزنك كمادة شبه موصلة

أثبت باحثون من ألمانيا أن ذرات الهيدروجين هي التي تتداخل مع العملية المطلوبة. وبالتالي، فإن التركيز المتحكم فيه لذرات الهيدروجين أثناء إنتاج أكسيد الزنك هو مفتاح الاستخدام الروتيني لهذه المادة كأشباه موصلات.

أكسيد الزنك هو "ملكة" الصناعة - حيث يتم إنتاج آلاف الأطنان منه في جميع أنحاء العالم كل عام لمجموعة واسعة من التطبيقات. يستخدم أكسيد الزنك في كل المنتجات تقريبًا بدءًا من المضافات الغذائية وحتى عوامل تسمير الجسم. بل إنه من أشباه الموصلات الهامة، على الرغم من أن الاختراق الذي طال انتظاره في هذا المجال لم يظهر بعد. إن المنشطات المثالية - وهي سمة أساسية في إنتاج أجهزة أشباه الموصلات - لا تزال مستحيلة.

ويقترب فريق من علماء الكيمياء من جامعة الرور في ألمانيا، بقيادة البروفيسور كريستوف فول، من اكتشاف السبب. وتمكن الفريق من إثبات تجريبيًا أن ذرات الهيدروجين هي التي تتداخل مع العملية المطلوبة. وبالتالي، فإن التركيز المتحكم فيه لذرات الهيدروجين أثناء إنتاج أكسيد الزنك هو مفتاح الاستخدام الروتيني لهذه المادة كأشباه موصلات.

يعد التطعيم (أو التطعيم)، أي الإدخال المتحكم فيه لذرات غريبة محددة في الجزء الداخلي من الشبكة البلورية للمادة الصلبة، هو العامل الأكثر أهمية أثناء إنتاج أجهزة أشباه الموصلات. يمكن لهذه الذرات الأجنبية التبرع بإلكترون إلى المادة الصلبة (التشويب n)، أو امتصاص إلكترون منه، بحيث يتم إنشاء "ثقب" فيه (التشويب p). تتسبب هذه الإلكترونات والثقوب المتحركة في الحصول على التوصيل الكهربائي في المواد التي قد تكون معزولة، أي أن عملية التطعيم تهيئ الطبيعة الفريدة لأشباه الموصلات. هذه العملية المعتادة في إنتاج أشباه الموصلات الشائعة مثل السيليكون أو الجرمانيوم كانت مشكلة كبيرة بالنسبة لأكسيد الزنك، حتى الآن. على وجه الخصوص، كان من الصعب الحصول على حالة التنشيط p، مما جعل من المستحيل تصنيع أجهزة أشباه الموصلات مثل الترانزستورات أو الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs). تتطلب مثل هذه الأجهزة وصلة pn، أي تقاطع بين المناطق n-doped وp-doped. ولهذا السبب، في مجال أشباه الموصلات، يُستخدم أكسيد الزنك حاليًا فقط في عدد محدود من التطبيقات الخاصة.

على مدى السنوات القليلة الماضية، تم إجراء تحسينات كبيرة في إنتاج أكسيد الزنك. في الآونة الأخيرة فقط تم تقديم الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق المكون من أكسيد الزنك. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من المشاكل فيما يتعلق بعملية التخدير نفسها. وتمكن الباحثون الألمان من تحديد فشل كبير في إنتاج أكسيد الزنك باعتباره أشباه الموصلات. خلال التجارب، التي أجريت بالفعل بعد اهتمام الباحثين بالخصائص الحفزية للأكسيد، تمكنوا من إظهار أن ذرات الهيدروجين تؤدي دائمًا إلى المنشطات من النوع n. يمكنهم تخدير أكسيد الزنك بذرات الهيدروجين بشكل عكسي ثم إزالتها بالتسخين.

وهكذا تمكن العلماء من تأكيد الملاحظات النظرية التي تم إجراؤها في عام 2000. واستخدموا طريقة خاصة للقياسات في درجات حرارة مختلفة للتحقق من تركيز حاملات الشحنة المناسبة. يعد التركيز العملي العالي لحاملات الشحن هذه أمرًا ضروريًا للحصول على الخصائص الكهربائية المطلوبة في الأجهزة النهائية. يكاد يكون من المستحيل تجنب وجود شوائب ذرة الهيدروجين أثناء عملية الإنتاج، وبالتالي يتم تجنب قبول المنشطات من النوع p المرغوب فيها. تملأ الإلكترونات المنطلقة من ذرات الهيدروجين إلى أكسيد الزنك الفجوات الناتجة عن المنشطات p على الفور. وبالتالي فإن المستوى العالي من النظافة، وخاصة البيئة الخالية من الهيدروجين، يعد عاملاً حاسماً في إنتاج أكسيد الزنك باعتباره أشباه الموصلات.

بعد أبحاثهم، تمكن العلماء أيضًا من حل جدل علمي: حتى اليوم، افترض الباحثون أن مشاكل المنشطات في أشباه الموصلات ناتجة عن عيوب هيكلية في الشبكة البلورية لأكسيد الزنك، إما بسبب إضافة ذرات الزنك أو بسبب عيوب في الشبكة البلورية لأكسيد الزنك. ترتيب ذرات الأكسجين . ستشكل نتائج هذا البحث الأساس للإنتاج المستقبلي لدوائر كهربائية أكثر كفاءة تعتمد على أكسيد الزنك.

الخبر الأصلي من الجامعة