توليف شرائط ضيقة من الغرافين باستخدام الضوء والحرارة
صورة توضيحية للتركيب الجزيئي لشرائط الغرافين النانوية المصنعة بواسطة جامعة كاليفورنيا (UCLA)
“السليكْون” – هذا المعدن اللامِع والهَش الذي يُستخدم بصورةٍ عامة لصُنع أشباه الموصلات – يعتبر أحد المقوماتِ الأساسية للإلكترونيات المعاصرة. ولكن بما أنّ الإلكترونيات تصبح الآن أصغر فأصغر، أصبح أيضًا توفير المكونات السيليكونية الدقيقة التي تلائم هذا الصغر مُكلِف وأكثر صعوبة.
طوَّر علماءُ جامعة كاليفورنيا (UCLA) حديثًا طريقة جديدة لإنتاج أشرطة نانوية من الغرافين. يؤمن كثير من العلماء أنّ هياكل الجيل القادم ستشغل الأجهزة الإلكترونية يومًا ما. نُشر هذا البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ” the American Chemical Society “.
الشرائط النانوية عبارة عن شرائح ضئيلة جدًا من الغرافين بسُمك عدد صغير فقط من ذرات الكربون. إن هذه الأشرطة مُجدية لاحتوائها على فجوة النطاق “bandgap”، والتي تعني أنّ الإلكترونات ينبغي أن تُدفع حتى تتدفق من خلالها وتُكَوِن تيارًا كهربيًا، ذلك ما أوضحه أستاذ الكيمياء بجامعة كاليفورنيا والقائم الرئيسي على موضوع البحث (إيفز روبن) Yves Rubin.
وأضاف “بينما المواد غير المحتوية على فجوة النطاق تسمح للإلكترونات أن تدفق خلالها بدون عائق ولا يمكن أن تُستخدم لبناءِ دارات منطقية.”
قام روبن وفريقُ البحوث الخاص به ببناءِ شرائط الغرافين النانوية واحدةً تلو الأخرى باستخدام تفاعل بسيط يعتمد على تعريضها للأشعة فوق البنفسجية ودرجة حرارة مقدارها 600 درجة مئوية.
“لم يستطع أحد آخر أن يفعل ذلك، لكنه سيكون مُهِمًا إذا أراد أحدٌ أن يبني هذه الجزيئات في نطاق صناعي” هذا ما قاله روبن-عضو معهد the California NanoSystems بجامعة كاليفورنيا.
وأوضح روبن “هذه العملية تتحسن على إثر عمليات أخرى موجودة بالفعل لبناء أشرطة الجرافين النانوية، واحدة من هذه الطرق تتضمن قص أنابيب الغرافين المفتوحة المعروفة باسم انابيب الكربون النانوية. ذلك النهج غير دقيق ويُنتج شرائط ذات أحجام غير متناسقة. هذه المشكلة ترجع إلى قيمة فجوة النطاق للشرائط النانوية معتمدة على اتساعها.”
لبناء الأشرطة النانوية بدأ العلماء بزراعة البلورات لأربعة جزيئات مختلفة عديمة اللون. تقوم البلورات بحبس الجزيئات في أفضل توجيه للتفاعل، ثم يقوم العلماء باستخدام الضوء لتجميع الجزيئات في شكل بوليمرات، والتي هي عبارة عن تركيبات كبيرة مكونة من وحدات متكررة من ذرات الكربون والهيدروجين.
ثم يقوم العلماء بوضع البوليمرات الزرقاء الداكنة اللامعة في فرن يحتوي فقط على غاز الأرجون ويقوموا بتسخينها حتى 600 درجة مئوية. توفر الحرارة طاقة التنشيط اللازمة للبوليمرات لتكون الروابط النهائية والتي تعطي الشرائط النانوية في شكلها النهائي: حلقات سداسية تتكون من ذرات الكربون وذرات الهيدروجين على طول حواف الشرائط.
أوضح روبن “نحن نقوم بتفحيم البوليمرات بصفة أساسية، لكننا نقوم بذلك بطريقة محكمة”
هذه العملية التي تستغرق ساعة تقريبًا، ينتج عنها شرائط غرافين نانوية بعرض ثمان ذرات من الكربون فقط ولكن بطول آلاف من الذرات. تحقق العلماء من التركيب الجزيئي للشرائط النانوية، التي تظهر بلون أسود داكن ولامع بتسليط أشعة ضوئية ذات أطوال موجية مختلفة. ولاحظ العلماء بأنّ أي أطوال موجية للضوء تم امتصاصها وهذا يكشف عن علامات مكونات وهيكل الشرائط.
قام الباحثون بتقديم طلب الحصول على براءة الاختراع لهذه العملية. ويقوم فريق البحوث بدراسة الآن لتحسين تأثير الشرائط النانوية، الصعوبة تكمن في أنها تميل لأن تتحد مع بعضها البعض. وقد قال روبن: “حتى الآن هي متواجدة على شكل حزم ليفية، وفي الخطوة التالية سيتم تناول شريط نانوي تلو الآخر”.
المصادر:
Robert S. Jordan et al. Synthesis of N = 8 Armchair Graphene Nanoribbons from Four Distinct Polydiacetylenes, Journal of the American Chemical Society (2017). DOI: 10.1021/jacs.7b08800
UCLA chemists synthesize narrow ribbons of graphene using only light and heat. UCLA Newsroom. Retrieved January 25, 2018, from http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-chemists-synthesize-narrow-ribbons-of-graphene-for-next-generation-electronics
