سائل معدني يشكل كريستالات من السيليكون بدرجة حرارة منخفضة قياسية

ترجمة بتصرف: ميشيل رحال، الكيمياء العربي

تم تطوير طريقة جديدة لتشكيل بلورات من السيليكون في جامعة ميتشيغان University of Michigan، قد تكون عنصر حاسم للحواسيب ولجعل الخلايا الشمسية أقل تكلفة وأكثر صداقة للبيئة.

أوكسيد السيليكون، أو الرمل، يشكل أكثر من 40% من القشرة الأرضية، لكن الطريقة الصناعية لتحويل الرمل لبلورات مكلف وله تأثيرات بيئية بسبب شروط اجراءات التصنيع القاسية.

“تصنع بلورات السيليكون من أجل الالكترونيات الحديثة، خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية شديدة الطاقة، مع درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة فهرنهايت والتي تنتج كمية كبيرة من غاز ثنائي أوكسيد الكربون”. يقول ستيفن مالدونادو Stephen Maldonado، الاستاذ في الكيمياء والفيزياء التطبيقية.

تمكن مالدونادو مؤخراً، مع طالبي دراسات عليا في قسم الكيمياء: جونسي غو Junsi Gu وايلي فارنكروغ Eli Fahrenkrug من اكتشاف طريقة لتشكيل كريستالات السيليكون مباشرة عند درجة حرارة 180 فهرنهايت، أي تقابل درجة الحرارة الداخلية لديك رومي مشوي، حيث نفذوا هذه الطريقة من خلال الاستفادة من ظاهرة يمكنك أن تراها في المطبخ.

عندما يصبح المحلول المائي للسكر فوق مشبع، سوف تتشكل تلقائياً بلورات السكر وهو معروف بـ الحلوى القاسية.

“بدلا من الماء، استخدمنا معدن سائل، وبدلاً من السكر استخدمنا السيليكون” يقول مالدونادو.

شكل مالدونادو وزملائه محلولاً من رباعي كلوريد السيليكون Silicon Tetrachloride، مغطى بطبقة من مسرى الغاليوم السائل liquid galium electrode. الكترونات من المعدن حوّلت رباعي كلوريد السيليكون إلى سيليكون خام، والذي ينحل لاحقاً في السائل المعدني.

“المعدن السائل هو أحد الجوانب الأساسية في طريقتنا هذه” يقول مالدونادو. “هناك العديد من المعادن السائلة التي يمكنها نقل الالكترونات التي تقوم بتحويل رباعي كلوريد السيليكون إلى سيليكون غير منتظم، لكن فقط معادن، كالغاليوم، يمكنها بالإضافة إلى ذلك، أن تسلك سلوك سائل من أجل بلورة السيليكون بدون حرارة إضافية.”

رصد الباحثون تشكل أغشية رقيقة من بلورات السيليكون، متراكمة على سطح مسرى الغاليوم السائل.

حتى الآن، البلورات المتشكلة صغيرة جداً، قطرها أصغر بحوالي 1/2000 مرة من الميليمتر، لكن يأمل مالدونادو بتطوير التقنية وتشكيل بلورات السيليكون أكبر، مصممة من أجل تطبيقات كتحويل الطاقة الضوئية لكهربائية أو تخزين الطاقة.

يبحث الفريق في متغيرات عديدة لهذا الاجراء، من ضمنها استخدام شوائب معدنية منخفضة درجة الانصهار.

إذا كانت الطريقة قابلة للتطبيق، فيمكن أن يكون لها آثار ضخمة، خصوصاً في المجال الصناعي للطاقة الشمسية.

السيليكون البلوري هو أكثر المواد استخداماً في الطاقة الشمسية حالياً، لكن تكلفته العالية جعلت العديد من العلماء يتوجهون وبشكل نشيط نحو البدائل من أنصاف النواقل.

يقول مالدونادو “من السابق لأوانه التقدير وبشكل دقيق مدى قدرة هذا الاجراء على تخفيض كلفة تصنيع السيليكون، لكن كقابلية على سلم معين، فالعملية موجودة، منخفضة التكلفة بشكل كبير وهي عملية أكثر سلامة على البيئة.”

تم دعم البحث الذي نشر في مجلة الجمعية الامريكية الكيميائية Journal of the American Chemical Society  من قبل المؤسسة البحثية التابعة للجمعية الكيميائية الامريكية للنفط.

تتابع الجامعة حماية براءات الاختراع والملكية الفكرية وهي تسعى لشركاء تسويقيين للمساعدة في جعل هذه التقنية في الأسواق.

المصدر:

Liquid metal makes silicon crystals at record low temperatures. (January 24, 2013). University of Michigan. Retrieved from: http://www.ns.umich.edu/new/releases/21128-liquid-metal-makes-silicon-crystals-at-record-low-temperatures