تتمتع أشباه الموصلات المعتمدة على الجرافين بفجوة نطاق مفيدة وقابلية تنقل عالية للإلكترونات - عالم الفيزياء

ابتكر باحثون في الصين والولايات المتحدة شبه موصل وظيفي مصنوع من الجرافين، وهو إنجاز وصفوه بأنه الأول من نوعه. ومن خلال التوسع في تقنيات التصنيع الحالية، والتر دي هير وقد أنشأ وزملاؤه في جامعة تيانجين ومعهد جورجيا للتكنولوجيا فجوة نطاقية متطورة في المادة ثنائية الأبعاد، مع الحفاظ على خصائص الجرافين القوية والتي يمكن ضبطها بسهولة.

السيليكون هو العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة لأشباه الموصلات. ومع ذلك، فإن أحدث التقنيات القائمة على السيليكون تمتد إلى أقصى حدودها بسبب طلبنا المستمر على سرعات حوسبة أعلى، واستهلاك أقل للطاقة، وأجهزة أكثر إحكاما.

على مدار عقدين من الزمن، اكتشف الباحثون إمكانية أن يوفر الجرافين بديلاً عمليًا للسيليكون. تم عزل الجرافين لأول مرة في عام 2004، وهو عبارة عن ورقة من الكربون يبلغ سمكها ذرة واحدة فقط. ومنذ ذلك الحين، اكتشف الباحثون أن الجرافين لديه عدد من الخصائص التي يمكن أن تجعله مفيدًا جدًا للأجهزة الإلكترونية. وتشمل هذه الحركة الإلكترونية العالية. هيكل قوي وخفيف الوزن ومضغوط للغاية؛ وتبديد الحرارة ممتازة.

عيب واحد رئيسي

ومع ذلك، الجرافين لديه عيب واحد رئيسي. على عكس أشباه الموصلات التقليدية، يفتقر الجرافين إلى فجوة نطاق الإلكترون الجوهرية. وهذا هو حاجز الطاقة الذي يجب على الإلكترونات التغلب عليه لتوصيل الكهرباء. إنها فجوة النطاق التي تسمح بتصنيع المفاتيح الإلكترونية (الترانزستورات) من أشباه الموصلات.

"هناك مشكلة طويلة الأمد في إلكترونيات الجرافين وهي أن الجرافين لم يكن لديه فجوة النطاق الصحيحة، ولا يمكن تشغيله وإيقافه بالمعدل الصحيح"، يوضح المؤلف المشارك لي ما، الذي شارك في تأسيس مركز مركز تيانجين الدولي للجسيمات النانوية والأنظمة النانوية مع دي هير. "على مر السنين، حاول الكثيرون معالجة هذا الأمر بمجموعة متنوعة من الأساليب."

وقد حاولت الدراسات السابقة هندسة فجوات نطاقية مناسبة باستخدام تقنيات مثل الحبس الكمي والتعديل الكيميائي للجرافين النقي. ولكن حتى الآن، لم تحقق هذه الأساليب سوى نجاح ضئيل للغاية.

يوضح دي هير: "كان علينا أن نتعلم كيفية معالجة الجرافين، وكيفية جعله أفضل وأفضل، وأخيرًا كيفية قياس خصائصه". "لقد استغرق ذلك وقتًا طويلاً جدًا."

نمو عفوي

في أحدث أبحاثهم، أظهر الباحثون لأول مرة كيف يمكن لأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة "epigraphene" أن تنمو تلقائيًا على أسطح بلورات كربيد السيليكون.

وكشفت الأبحاث السابقة أنه عند درجات الحرارة المرتفعة، يتسامي السيليكون من أسطح هذه البلورات، تاركًا وراءه طبقات غنية بالكربون. تتم إعادة تبلور هذه الطبقات لتشكل إيبيجرافين متعدد الطبقات، والذي له خصائص شبه موصلة محدودة.

ومن خلال التوسع في هذه التقنية، طور فريق دي هير وما طريقة جديدة للتليين، حيث قاموا بالتحكم بعناية في درجة حرارة العينة ومعدل تكوين الإبيجرافين. لقد قاموا بإنشاء طبقة جرافين قوية تنمو في المدرجات العيانية المسطحة ذريًا. والأكثر من ذلك، أن ذرات الجرافين تتماشى مع شبكة ركيزة كربيد السيليكون.

فجوة نطاقية مفيدة

ومن خلال إجراء قياسات دقيقة، أظهر الفريق أن هذه الطبقة هي شبه موصل ممتاز ثنائي الأبعاد. فهو يتمتع بفجوة النطاق المفيدة التي استعصت على الباحثين لعقود من الزمن، إلى جانب القدرة على الحركة الإلكترونية العالية.

تعمل شرائط الجرافين على تطوير الإلكترونيات الملتوية

ويقول دي هير بحماس: "لدينا الآن شبه موصل قوي للغاية من الجرافين يتمتع بقدرة حركية تبلغ 10 أضعاف السيليكون، وله أيضًا خصائص فريدة غير متوفرة في السيليكون". ويقارن حركة الإلكترون في السيليكون بالقيادة على طريق مرصوف بالحصى، في حين أن الإبيجرافين يشبه طريق الإلكترون السريع. يوضح دي هير: "إنه أكثر كفاءة، ولا يسخن كثيرًا، ويسمح بسرعات أعلى حتى تتمكن الإلكترونات من التحرك بشكل أسرع".

علاوة على هذا الأداء، أظهر الفريق أيضًا أنه يمكن تطعيم الإبيجرافين بمجموعة واسعة من الذرات والجزيئات لضبط خصائصه الإلكترونية والمغناطيسية. يمكن أيضًا أن تكون المادة منقوشة بتقنية النانو لتعزيز أدائها بشكل أكبر - من الصعب جدًا القيام بالنمط النانوي مع الجرافين المزروع على ركائز أخرى.

يأمل دي هير وما وزملاؤهما أن تمهد تقنيتهم ​​الطريق لنهج جديد تمامًا لتصنيع أشباه الموصلات، وقد تكون في النهاية خطوة أولى حاسمة نحو جيل جديد من الإلكترونيات القائمة على الجرافين.

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/graphene-based-semiconductor-has-a-useful-bandgap-and-high-electron-mobility/