أبحاث علمية

البحث عن أشباه موصلات من نوع جديد

إضفاء عدم التناظُر عبر جانبي مواد رقيقة ذات سماكة ذرية يخلق فرصًا جديدة لأشباه الموصلات.

1قد تكتسب المواد شبه الموصلة التي تُدعى الكالكوجينيدات الثنائية (dichalcogenides) خصائص أوسع عند إضفاء عدم التناظر عبر مستوى ألواح صحائف الذرات المترابطة.

قام باحثون في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) بتخليق طبقة أحادية تدعى “جانوس” Janus  نسبة إلى أحد آلهة الأساطير الرومانية الذي كان يمتلك وجهين ينظران في اتجاهين متعاكسين، والذي كان يُعتقد أنه يتحكم في الانتقال عبر البوابات.

قد تساعد طبقات “جانوس” الأحادية في التحول نحو تطبيقات جديدة لأشباه الموصلات في الإلكترونيات، وتحديدًا الإلكترونيات النانوية، التي تعتمد على التلاعب بمجموعات متناهية الصغر من الذرات.

يقول لين يونج لي، أستاذ العلوم الكيميائية: “طريقتنا الفريدة في تركيب المادة تمهد الطريق إلى تغيير الألواح ثنائية الأبعاد ذات السُّمك الذري الرقيق المصنوعة من تلك المواد، على المستوى الذري”.

تتكون الكالكوجينيدات الثنائية عند اندماج ذرات من مجموعة المعادن الانتقالية في الجدول الدوري مع ذرات من “المجموعة 16″؛ الكالكوجينات. وتكون لها الصيغة العامة MX2؛ حيث يرمز حرف M إلى المعدن الانتقالي ويرمز حرف X إلى الكالكوجينات. وقد بدأ باحثو كاوست بالمادة المتناظرة MoS2، حيث الموليبدينوم (Mo) هو ذرة المعدن الانتقالي، والكبريت (S) هو الكالكوجين.

تمثل إنجاز  الفريق البحثي في تبديل ذرات السيلينيوم على نحو انتقائي بذرات الكبريت على أحد جانبي الصحائف الذرية الرقيقة؛ لتخليق طبقة “جانوس” الأحادية غير المتناظرة. من السهل وصف هذا، لكنه كان أمرًا شديد الصعوبة في تنفيذه. يقول لي: “استغرق منَّا الأمر ما يقرب من ثلاثة أعوام، خطوة بخطوة”.

ويوضح لي أن الأمر كان يستحق الجهد المبذول فيه؛ لأن “انعدام التناظر يخلق خصائص جديدة”. وبمصطلحات أكثر تقنية، فإن السمة الأساسية المفيدة للمواد شبه الموصلة هي أن الإلكترونات الخاصة بها يمكنها أن تشغل مستويات مختلفة من الطاقة أو حالات الدوران المغزلي. ويخلق انعدام التناظر عبر ألواح الطبقات الأحادية تنوعًا أكثر ثراءً من مستويات الطاقة المختلفة، وبالتالي يتيح العديد من الفرص للاستخدام في التطبيقات على أرض الواقع.

ويؤكد لي أن هذا البحث ما زال في مرحلة العلوم الأساسية؛ ففريقه لا يمتلك حتى الآن أية تطبيقات محددة للمادة الجديدة، ويضيف قائلًا: “ولكن الفيزياء الجديدة والظواهر الجديدة تنبثق دائمًا من اكتشاف مواد جديدة”.

وإضافة إلى تطبيقات أشباه الموصلات التقليدية، يعتقد الباحثون أن مادتهم غير المتناظرة قد تكون مفيدة في مجال ناشئ يسمى “الإلكترونيات المغزلية” (spintronics). ويَستخدم هذا المجال التغيُّرات في واحدةٍ من خواص الإلكترونات تُعرف بالدوران المغزلي، عوضًا عن الاكتفاء بالشحنة الكهربائية وحدها كوسيلة لتغيير السلوك الإلكتروني في نطاقات ذرية.

ويأمل لي حاليًّا في تطبيق ذلك الابتكار على مواد جديدة من نوع “جانوس”، ومن ثَم توسيع نطاق الفرص التي يوفرها عدم التناظر المفيد هذا.

مراجع وملاحظات :

  1. Lu, A-Y., Zhu, H., Xiao, J., Chuu, C-P., Han, Y., … & Li, L. Janus monolayers of transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology 12, 744-749 (2017).
مجلة اكتشافات كاوست

تم إطلاق موقع ومجلة اكتشافات كاوست عام 2014 بهدق الترويج لتقدم الجامعة في المجال البحثي بشكل يسهل لجمهور عريض استخدامه والوصول إليه. مستخدمين أسلوب صحافي في الكتابة، ننشر معلومات مختصرة، ودقيقة، وواضحة حول أحدث أخبار المنتمون إلى الجامعة وأفكارهم، بهدف المساعدة في التعامل مع المشكلات الأكثر صعوبة التي يواجهها المجتمع.