الكثبان النانوية مع الشعاع الأيوني: طريقة جديدة للهياكل النانوية ذاتية التنظيم

تعتمد العديد من أجهزة أشباه الموصلات في التكنولوجيا الحديثة ــ من الدوائر المتكاملة إلى الخلايا الشمسية ومصابيح LED ــ على الهياكل النانوية. عادةً ما يتطلب إنتاج صفائف من الهياكل النانوية العادية جهدًا كبيرًا. وإذا تم تنظيمها ذاتيًا، فسيكون إنتاج مثل هذه الأجهزة أسرع بكثير وبالتالي ستنخفض التكاليف. قام الدكتور ستيفان فاسكو من مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (HZDR) والدكتور شين أو من معهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات (SIMIT)، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، بعرض طريقة للتنظيم الذاتي للصفائف ذات البنية النانوية. عن طريق تشعيع شعاع الأيونات واسعة النطاق. وقد نشرت النتائج في المجلة العلمية مقياس النانو.

وفي طريقتهم المذهلة، استخدم الباحثون الحزم الأيونية، وهي ذرات سريعة مشحونة كهربائيًا. يوجهون شعاعًا عريضًا من أيونات الغازات النبيلة إلى أ مركب الزرنيخ الرقاقة، والتي، على سبيل المثال، تُستخدم في إنتاج ترانزستورات عالية السرعة وعالية التردد أو خلايا ضوئية أو صمامات ثنائية باعثة للضوء. "يمكن للمرء أن يقارن القصف الأيوني بالتفجير الرملي. وهذا يعني أن الأيونات تطحن بعيدًا عن سطح الهدف. هناك المطلوب الهياكل النانوية "يتم إنشاؤها من تلقاء نفسها"، يوضح الدكتور فاكسكو. يذكرنا الهيكل المنحوت والمنتظم بدقة بالكثبان الرملية والهياكل الطبيعية التي خلقتها الرياح. ومع ذلك، فإن كل ذلك يحدث في عالم النانو، على مسافة خمسين نانومترًا فقط بين اثنين من الكثبان الرملية - خصلات شعر الإنسان أكثر سمكًا بألفي مرة.

القصف الأيوني عند درجة حرارة مرتفعة

ومع ذلك، في درجة حرارة الغرفة، يدمر شعاع الأيون البنية البلورية لزرنيخيد الغاليوم وبالتالي خصائصه شبه الموصلة. ولذلك تستغل مجموعة الدكتور فاسكو في مركز الشعاع الأيوني التابع لـ HZDR الفرصة لتسخين العينة أثناء القصف الأيوني. عند حوالي أربعمائة درجة مئوية، تتعافى الهياكل المدمرة بسرعة.

وهناك تأثير آخر يضمن تطور الكثبان النانوية الموجودة على سطح أشباه الموصلات. لا تقوم الأيونات المتصادمة بنقل الذرات التي تصطدم بها فحسب، بل تقوم أيضًا بإخراج الذرات الفردية بالكامل من الجسم الهيكل البلوري. وبما أن الزرنيخ المتطاير لا يبقى مقيدًا على السطح، فإن السطح يتكون سريعًا من ذرات الغاليوم فقط. من أجل التعويض عن روابط ذرة الزرنيخ المفقودة، تتشكل أزواج من ذرات الغاليوم، والتي ترتب نفسها في صفوف طويلة. إذا شعاع أيون يطرد المزيد من الذرات المجاورة لها، فلا يمكن لأزواج الغاليوم أن تنزلق إلى أسفل الخطوة التي تم إنشاؤها لأن درجات الحرارة منخفضة جدًا بحيث لا يمكن حدوث ذلك. هذه هي الطريقة التي تشكل بها الصفوف الطويلة من أزواج الغاليوم كثبانًا نانوية بعد فترة من الزمن، حيث تقع عدة أزواج طويلة من الخطوط بجانب بعضها البعض.

كانت العديد من التجارب في درجات حرارة مختلفة وحسابات شاملة ضرورية للحفاظ على الحالة البلورية للمادة شبه الموصلة وكذلك لإنتاج الهياكل المحددة جيدًا على المستوى النانوي. يقول الدكتور فاسكو من HZDR: "إن طريقة التنضيد العكسي تعمل مع مواد مختلفة ولكنها لا تزال في مرحلة البحث الأساسية. ولأننا نستخدم أيونات منخفضة الطاقة بشكل خاص - أقل من 1 كيلو فولت - والتي يمكن توليدها باستخدام طرق بسيطة، فإننا نأمل أن نتمكن من توجيه الطريق للتنفيذ الصناعي. إن تصنيع هياكل مماثلة بأحدث الأساليب الحالية يحتاج إلى جهد أكبر بكثير.