كيفية إنشاء أسلاك نانوية بعرض ثلاث ذرات فقط باستخدام شعاع إلكتروني

جونهاو لين، دكتوراه في جامعة فاندربيلت. اكتشف الطالب والعالم الزائر في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) طريقة لاستخدام شعاع الإلكترونات المركز بدقة لإنشاء بعض أصغر الأسلاك التي تم تصنيعها على الإطلاق. يبلغ عرض الأسلاك المعدنية المرنة ثلاث ذرات فقط: واحد على الألف من عرض الأسلاك المجهرية المستخدمة لتوصيل الترانزستورات في الدوائر المتكاملة اليوم.

تم وصف إنجاز لين في مقال نشرته المجلة على الإنترنت في 28 أبريل تكنولوجيا النانو الطبيعة. وفقًا لمستشاره سقراط بانتيليدز، أستاذ الفيزياء والهندسة المتميز في جامعة فاندربيلت، ومعاونيه في ORNL، فإن هذه التقنية تمثل طريقة جديدة ومثيرة للتعامل مع المادة على مقياس النانو ويجب أن تعطي دفعة للجهود المبذولة لإنشاء دوائر إلكترونية من الطبقات الأحادية الذرية، وهي أنحف عامل شكل ممكن للأجسام الصلبة.

قال بانتيليدز: "أخذ Junhao هذا المشروع ونفذه حقًا".

صنع لين الأسلاك الصغيرة من عائلة خاصة من المواد شبه الموصلة التي تشكل بشكل طبيعي طبقات أحادية. يتم تصنيع هذه المواد، التي تسمى ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs)، عن طريق الجمع بين معادن الموليبدينوم أو التنغستن مع الكبريت أو السيلينيوم. العضو الأكثر شهرة في العائلة هو ثاني كبريتيد الموليبدينوم، وهو معدن شائع يستخدم كمواد تشحيم صلبة.

أصبحت الطبقات الأحادية الذرية موضع اهتمام علمي كبير هذه الأيام لأنها تميل إلى امتلاك عدد من الصفات الرائعة، مثل القوة الاستثنائية والمرونة والشفافية والتنقل العالي للإلكترون. وقد نشأ هذا الاهتمام في عام 2004 من خلال اكتشاف طريقة سهلة لإنشاء الجرافين، وهو عبارة عن شبكة ذرية على شكل قرص العسل من ذرات الكربون أظهرت عددًا من الخصائص القياسية، بما في ذلك القوة والكهرباء والتوصيل الحراري. على الرغم من خصائص الجرافين الفائقة، واجه الخبراء صعوبة في تحويلها إلى أجهزة مفيدة، وهي عملية يطلق عليها علماء المواد اسم "التشغيل الوظيفي". لذلك تحول الباحثون إلى مواد أحادية الطبقة أخرى مثل TMDCs.

قامت مجموعات بحثية أخرى بالفعل بإنشاء ترانزستورات فعالة وبوابات ذاكرة فلاش من مواد TMDC. لذا فإن اكتشاف كيفية صنع الأسلاك يوفر وسيلة لربط هذه العناصر الأساسية. بجانب الترانزستورات، تعتبر الأسلاك أحد أهم أجزاء الدائرة المتكاملة. على الرغم من اليوم دوائر متكاملة (الرقائق) هي بحجم الصورة المصغرة، وتحتوي على أكثر من 20 ميلاً من الأسلاك النحاسية.

وقال لين: "من المرجح أن يحفز هذا اهتمامًا بحثيًا كبيرًا بتصميم الدوائر أحادية الطبقة". "نظرًا لأن هذه التقنية تستخدم تشعيع الإلكترون، فمن الممكن من حيث المبدأ أن تكون قابلة للتطبيق على أي نوع من الأدوات المعتمدة على الإلكترون، مثل الطباعة الحجرية ذات الشعاع الإلكتروني."

إحدى الخصائص المثيرة للاهتمام للدوائر أحادية الطبقة هي صلابتها ومرونتها. من السابق لأوانه التنبؤ بأنواع التطبيقات التي ستنتجها، ولكن "إذا أطلقت العنان لمخيلتك، فيمكنك تصور أجهزة لوحية وشاشات تلفزيون رقيقة مثل ورقة يمكنك لفها ووضعها في جيبك أو "محفظة،" علق بانتيليدز.

بالإضافة إلى ذلك، يتصور لين أن التقنية الجديدة يمكن أن تجعل من الممكن إنشاء دوائر ثلاثية الأبعاد عن طريق تكديس الطبقات الأحادية "مثل كتل الليغو" واستخدام حزم الإلكترون لتصنيع الأسلاك التي تربط الطبقات المكدسة.

تم تنفيذ تصنيع الأسلاك النانوية في ORNL في مجموعة الفحص المجهري التي كان يرأسها حتى وقت قريب ستيفن ج. بينيكوك، كجزء من تعاون Vanderbilt-ORNL المستمر الذي يجمع بين الفحص المجهري والنظرية لدراسة أنظمة المواد المعقدة. Junhao هو طالب دراسات عليا يتابع كلاً من النظرية والمجهر الإلكتروني في بحث الدكتوراه الخاص به. كان معلمه المجهري الأساسي هو زميل ORNL Wigner Wu Zhou.

"استخدم Junhao المسح انتقال المجهر الإلكتروني وقال تشو: "(STEM) قادر على تركيز شعاع من الإلكترونات وصولاً إلى عرض نصف أنجستروم (حوالي نصف حجم الذرة) وتوجيه هذا الشعاع بدقة رائعة".