الذهب أحادي البلورية يجعل الأجهزة الإلكترونية تقترب من حد الكفاءة – عالم الفيزياء

الذهب أحادي البلورية يجعل الأجهزة الإلكترونية تقترب من حد الكفاءة – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 14 فبراير 2024 4:00 صباحًا

عرض ثلاثي الأبعاد لرقاقة سداسية من الذهب الأحادي البلورة مع خطوط حمراء تمثل أشعة الليزر المارة من خلالها
كل ما يلمع: كشف التحليل الطيفي بالليزر لعينات الذهب أحادية البلورات ومتعددة البلورات أن الإلكترونات الموجودة في الأولى تبقى "ساخنة" لفترة أطول بكثير. (بإذن من: ميغان جريس هيوز، كينجز كوليدج لندن)

لقد كان الذهب منذ فترة طويلة وسيلة شائعة لتعزيز الحساسية الضوئية للأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة الاستشعار الحيوية وأنظمة التصوير وجامعي الطاقة ومعالجات المعلومات. حتى الآن، كان الذهب المستخدم متعدد البلورات، ولكن في السنوات القليلة الماضية قامت مجموعات بحثية مختلفة بمهارة تقنيات إنتاج الذهب أحادي البلورات.

الباحثون بقيادة اناتولي زياتس في كينجز كوليدج لندن، المملكة المتحدة و جوليا تاجليابو في École Polytechnique Fédérale de Lausanne في سويسرا الإبلاغ الآن أن الإلكترونات الموجودة في أغشية الذهب أحادية البلورات الجديدة تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الإلكترونات الموجودة في الذهب متعدد البلورات. يقول الزيات: «كانت لدينا مفاجآت لم نتوقعها». عالم الفيزياء. ويضيف أن الاختلافات يمكن أن تحقق فوائد كبيرة للتطبيقات.

التطبيقات العملية البلازمونية

يعد الذهب محسسًا ضوئيًا مفيدًا لأنه يدعم استجابة الرنين التي يؤدي فيها المجال الكهرومغناطيسي المتذبذب للضوء الساقط إلى جعل الإلكترونات تتحرك ذهابًا وإيابًا بشكل جماعي. تُسمى هذه الحركة الجماعية بالبلازمون، ومع خروج التذبذب من الطور، تنتقل الطاقة الموجودة في البلازمون إلى الإلكترونات والثقوب المشحونة إيجابيًا في الذهب. وبفضل نقل الطاقة هذا، تطور الإلكترونات درجة حرارة فعالة أعلى بكثير من درجة حرارة توازن المادة. وهذه الإلكترونات "الساخنة" هي التي تكون مفيدة جدًا في بدء التفاعلات الكيميائية، والإشارة إلى اكتشاف الفوتون، وتخزين الطاقة، وما إلى ذلك. التحدي الرئيسي هو استخراجها قبل أن تفقد طاقتها.

بالنسبة للجزء الأكبر، يتم إنتاج أفلام الذهب عن طريق رش المادة على الركيزة، مما يؤدي إلى إنتاج هياكل مجهرية متعددة البلورات. وعلى الرغم من أن العمليات الكيميائية اللازمة لإنتاج الذهب الأحادي البلورة معروفة منذ بعض الوقت، إلا أن الزيات يشير إلى أنه "لا يوجد شيء مجاني في هذا العالم"، والمقايضات شديدة الانحدار. والجدير بالذكر أنه بالنسبة لطبقات الذهب أحادية البلورية التي يقل سمكها عن 100 نانومتر، فإن الحد الأقصى للأبعاد الجانبية لا يتجاوز بضعة ميكرومترات، مما يقيد التطبيقات.

ومع ذلك، في العامين الماضيين، تحسنت العمليات الكيميائية إلى درجة أن رقائق دقيقة تمتد لمئات الميكرومترات بسمك أقل من 20 نانومتر من الممكن. دفعت هذه التحسينات الزيات ومعاونيه إلى استكشاف المزايا التي قد يتمتعون بها في التطبيقات البلازمونية.

الضربة المزدوجة

للتحقيق في الفوائد المحتملة لرقائق الذهب أحادية البلورة، قارن الزيات وزملاؤه الإصدارات متعددة البلورات وأحادية البلورة باستخدام نبضات المضخة والمسبار التي تفصل بينها مسافة فيمتوثانية فقط. وقد مكنتهم هذه النبضات من مراقبة عمليات الاضمحلال فائق السرعة للإلكترونات الساخنة. ووجدوا أن الإلكترونات ظلت ساخنة لفترة أطول في الرقائق أحادية البلورات، بينما في الرقائق متعددة البلورات، أدى وجود حدود الحبوب إلى مزيد من تشتت الإلكترونات وفقدان أكبر للطاقة.

ووجد الباحثون أيضًا أن بإمكانهم استخلاص الإلكترونات الساخنة بكفاءة أكبر من الذهب أحادي البلورية. نظرًا لأن زاوية الانعكاس الداخلي الكلي لسقوط الإلكترون على سطح الذهب صغيرة، فإن سطح الذهب متعدد البلورات يتم خشونته عمدًا لزيادة فرص اصطدام الإلكترون بالسطح بزاوية تسمح له بالهروب واستخراجه. وفي المقابل، كان سطح الذهب أحادي البلورة أملس ذريًا، إلا أن كفاءة استخلاص الإلكترون كانت قريبة من الحد النظري وهو 9%. يعزو الباحثون ذلك إلى عمر الإلكترون الساخن الأطول، مما يعني أن الإلكترونات لديها الكثير من المواجهات مع السطح في حالة نشطة للغاية، مما يجعلها ستهرب في النهاية.

في المقابل، يشير الزيات إلى أن الأفلام متعددة البلورات تتلقى ضربة مزدوجة. ويقول: "إن طاقة الإلكترونات أقل وكفاءة الاستخراج أقل". ويضيف أنه عندما بدأوا تجاربهم لمقارنة الرقائق متعددة البلورات وأحادية البلورات، لم يكن من الواضح على الإطلاق أن هذه التأثيرات ستكون ملفتة للنظر إلى هذا الحد. وبالفعل، شكك بعض أعضاء الفريق في جدوى إجراء التجارب على الإطلاق.

الاختلافات الجوهرية

وكشفت الدراسة أيضا عن اختلافات أكثر دقة. على سبيل المثال، تمكن الباحثون من اكتشاف تأثيرات التوزيع الزائل للإلكترونات الذي يطمس الواجهات البينية للمواد، مما يزيل الحدود الحادة التي تظهر في نماذج "اللعبة" البسيطة. تتفاعل هذه الإلكترونات المتلاشية مع الفونونات - اهتزازات الشبكة - في مادة الركيزة المجاورة. بالنسبة لأغشية الذهب الرقيقة، تشكل هذه الإلكترونات المتلاشية نسبة أكبر من الإلكترونات الموجودة في طبقة الذهب، وبالتالي تفقد الإلكترونات طاقتها بشكل أسرع. ومع ذلك، فإن العكس هو الحال عندما يتم تكثيف طاقة ليزر الإثارة لأنها أكثر سخونة وتتطلب مزيدًا من الضرب بالفونونات حتى تبرد.

بالإضافة إلى ذلك، أشارت النتائج إلى حدوث تغيير في بنية النطاق بسبب الإلكترونات الساخنة الأطول عمرًا. على الرغم من أن النظرية تشير إلى أن التفاعلات المتبادلة بين الإلكترونات الساخنة وبين الإلكترونات الساخنة وذرات الشبكة قد تؤدي إلى هذا التأثير، إلا أنه لم يكن من الواضح أنه سيكون ملحوظًا عند طاقات الليزر المعتدلة في الدراسة. يقول الزيات: "يمكنك أن تتخيل أنك إذا كانت لديك قوى عالية فإنك تبدأ في الذوبان". "ومراقبتها عند قوى الإثارة المنخفضة هذه، كان أمرًا مثيرًا للاهتمام."

بان وانغووصفها، وهي مهندسة بصرية في جامعة تشجيانغ، والتي لم تشارك بشكل مباشر في الدراسة، بأنها "مثيرة للإعجاب حقًا". يقول: "إن هذه النتائج ذات أهمية كبيرة لفهم أساسي أعمق لديناميات الموجات الحاملة غير المتوازنة في المعادن أحادية البلورية وتوفر إرشادات مفيدة لتصميم أجهزة حاملة ساخنة عالية الأداء". عالم الفيزياء. وبالإشارة إلى العمل الأخير الذي يُظهر أن مثل هذه الأفلام يمكن تصنيعها بشكل أرق، يضيف أنه سيكون أيضًا "مثيرًا للاهتمام للغاية" دراسة ديناميكيات الناقلات فائقة السرعة في الذهب أحادي البلورة بسمك نانومتر.

النتائج تظهر في طبيعة الاتصالات.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء