فيزيائيون يكتشفون طريقة لتغيير التركيب البلوري للغرافين

فيزيائيون يكتشفون طريقة لتغيير التركيب البلوري للغرافين:

اكتشف فريق من الفيزيائيين بجامعة أريزونا كيفية تغيير التركيب البلوري للغرافين وذلك بإخضاعه إلى حقل كهربائي، الأمر الذي يعتبر خطوةً هامةً نحو إمكانية استخدام الغرافين في المعالجات الميكروية التي ستكون أسرع وأصغر حجماً من المعالجات الحالية القائمة على السيليكون.






يتكوّن الغرافين من صفائح رقيقة للغاية من الغرافيت، وإذا وضعنا شريحة منه تحت مجهر إلكتروني قوي سنرى أنه يتكون من طبقات من صفائح ذرات الكربون المترابطة. وجد الباحثون أنه عند إخضاع الغرافين إلى حقل كهربي سنجد أن جزء منه سيتحول من التصرف كمعدن ليتصرف كأشباه النواقل (الموصلات).







ويعتبر الجرافين من أنحف المواد على الاطلاق حيث أننا سنحتاج إلى 300000 شريحة منه فوق بعضها لنصل إلى سمك شعرة الإنسان أو لسمك الورقة. ويولي العلماء والمهندسون هذه المادة الكثير من الاهتمام بسبب تطبيقاتها في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة، على أمل الانتقال من عصر السيليكون إلى عصر الغرافين. لكن الصعوبة تكمن في السيطرة على تدفق الإلكترونات عبر هذه المادة، وهو شرط ضروري لدخوله حيز التطبيق في أي نوع من الدارات الإلكترونية.






قام الدكتور بريان لوروا ومعاونوه وهو أستاذ مساعد في الفيزياء في جامعة أريزونا، بتذليل أحد العقبات نحو تحقيق هذا الهدف من خلال الكشف عن أن المجال الكهربائي يملك قدرة على التحكم بالتركيب البلوري للغرافين ثلاثي الطبقات.


يمكن تكديس الغرافين بطريقتين فريدتين من نوعهما. بشكل مشابه لتكديس طبقات من كرات البلياردو فوق بعضها حيث تمثل الكرات ذرات الكربون الموجودة في الغرافين.






وأفاد ماثيو بانكويتز، وهو طالب دكتوراه في السنة الثالثة في مختبر لوروا وهو المؤلف للبحوث المنشورة في مجلة “Nature Materials”، أنه عندما نضع طبقتين من كرات البلياردو فوق بعضهما فسيكون “التركيب البلوري” لهما ثابت لأن الطبقة العليا من الكرات يجب أن توضع في الثقوب التي شكلتها مثلثات من كرات الطبقة السفلية”، وأضاف “الطبقة الثالثة من الكرات قد تكون بشكل تتحاذى كراتها مع كرات الطبقة السفلى أو تنزاح قليلاً لتتوضع فوق المثلثات التي صنعها الفراغ بين كرات الطبقة السفلى.”


يتواجد نمطا التراكب هذه بشكل طبيعي في الرقاقة ذاتها من الجرافين ويتم الفصل بينهما عن طريق حدود حادة حيث تتوضع سداسيات الكربون لتوائم التحول من نمط تراكب إلى أخر.






وأوضح لوروا “ونظراً لوجود أشكال تراكب مختلفة على جانبي الجدار الفاصل بينهما فأن أحد الطرفين سيتصرف كمعدن، في حين يتصرف الآخر كأشباه الموصلات”.


وبتطبيق حقل كهربائي على الجدار الفاصل تمكن الباحثون من تغيير مكانه ضمن شريحة الغرافين وبذلك تتغير البنية البلورية للغرافين ثلاثي الطبقات. حيث أصبح من الممكن الآن ولأول مرة تغيير التركيب البلوري للغرافين بطريقة تخضع للمراقبة.






وقال لوروا” أصبح بإمكاننا الآن تحويل سلوك المادة من معدن إلى نصف ناقل وبالعكس للسيطرة على تدفق الإلكترونيات” وأضاف: “إذا استخدمنا قطب عريض بدلاً من القطب المدبب يمكننا تحريك الجدار الفاصل إلى مسافة أبعد الأمر الذي يجعل من الممكن صناعة الترانزستورات من الغرافين.”


وتعتبر الترانزستورات العنصر الرئيسي في الدارات الإلكترونية لأنها تتحكم في تدفق الإلكترونات وعلى عكس الترانزستورات المستخدمة الآن والتي تستخدم السيليكون يمكن للترانزستورات التي تستخدم الغرافين أن تكون رقيقة للغاية مما يجعل الأجهزة أصغر بكثير من حجمها الحالي. وبما أن الإلكترونات تتحرك عبر الغرافين بسرعة أكبر بكثير من السيليكون فسيؤدي هذا إلى الوصول إلى أجهزة ذات حوسبة أسرع من تلك الني توجد الآن.


بالإضافة إلى ذلك، يجري تصنيع الترانزستورات القائمة على السيليكون لتؤدي وظيفة واحدة من وظيفتين (p أو n) في حين أن ترانزستورات الغرافين يمكن أن تقوم بالوظيفتين على حد سواء وهذا من شأنه أن يجعلها أقل كلفة وأكثر تنوعاً من حيث تطبيقاتها.