أغشية (أفلام) الأنابيب النانوية تفتح آفاقا جديدة للإلكترونيات – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Nanotube films open up new prospects for electronics
(Skolkovo Institute of Science and Technology – تقديم: معهد سكولكوفو للعلوم والتقنية)

ملخص المقالة:

 تشكل المواد النانوية الكربونية فئة واسعة من المركبات التي تشمل الجرافين والفوليرينات والأنابيب النانوية والألياف النانوية والمزيد. وقد عدَّل فيزيائيو معهد موسكو للفيزياء والتقنية ومعهد سكولكوفو للعلوم والتقنية الخصائص الإلكترونية للأنابيب النانوية الكربونية وضبطها لتلبية متطلبات الأجهزة الإلكترونية الجديدة. ويواصل العلماء إنشاء هياكل جديدة وإيجاد طرق لاستخدامها في تطبيقات الحياة الواقعية. وتبدو الهياكل الكلية المصممة كأغشية ذات توجه عشوائي مصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية وكأنها خيوط العنكبوت الرقيقة جدا بمساحة تصل إلى عدة عشرات من السنتيمترات المربعة وسمكها بضعة نانومترات فقط. ولأغشية الأنابيب النانوية الكربونية مزيج مذهل من الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مثل الاستقرار الميكانيكي والمرونة وقابلية التمدد والإلتصاق الممتاز بالركائز المختلفة والخمول الكيميائي والخصائص الكهربائية والبصرية الاستثنائية. وهذه الأغشية عالية التوصيل خفيفة ومرنة، وبالتالي يمكن استخدامها في مختلف الأجهزة الكهربائية، مثل الدروع الكهرومغناطيسية والمغيرات والهوائيات والمحررات الاشعاعية وما إلى ذلك.

( المقالة )

وجد فيزيائيون من معهد موسكو للفيزياء والتقنية [١] ومعهد سكولكوفو للعلوم والتقنية [٢] طريقة لتعديل الخصائص الإلكترونية للأنابيب النانوية الكربونية وضبطها بتعمد لتلبية متطلبات الأجهزة الإلكترونية الجديدة. وقد تم نشر الورقة البحثية في نشرة “الكربون” (Carbon).

وتشكل المواد النانوية الكربونية فئة واسعة من المركبات التي تشمل الجرافين والفوليرينات [٣] والأنابيب النانوية والألياف النانوية والمزيد. وعلى الرغم من أن الخصائص الفيزيائية للعديد من هذه المواد تظهر بالفعل في الكتب المدرسية، إلا أن العلماء يواصلون إنشاء هياكل جديدة وإيجاد طرق لاستخدامها في تطبيقات الحياة الواقعية. وتبدو الهياكل الكلية المصممة كأغشية ذات توجه عشوائي مصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية وكأنها خيوط العنكبوت الرقيقة جدا بمساحة تصل إلى عدة عشرات من السنتيمترات المربعة وسمكها بضعة نانومترات فقط.

وتعرض أغشية الأنابيب النانوية الكربونية مزيجا مذهلا من الخصائص الفيزيائية والكيميائية، مثل الاستقرار الميكانيكي والمرونة وقابلية التمدد والالتصاق الممتاز بالركائز المختلفة والخمول الكيميائي والخصائص الكهربائية والبصرية الاستثنائية.

وعلى عكس الأغشية المعدنية، فإن هذه الأغشية عالية التوصيل خفيفة ومرنة، وبالتالي يمكن استخدامها في مختلف الأجهزة الكهربائية، مثل الدروع الكهرومغناطيسية والمغيرات والهوائيات والمحررات الاشعاعية (bolometers) [مقياس الطاقة المشعة] وما إلى ذلك.

إن معرفة المبادئ الفيزيائية الأساسية ضرورية للاستخدام الفعال للخصائص الكهربائية والكهروديناميكية للأغشية  في الحياة الواقعية. ومما له أهمية خاصة أن “التيراهيرتز” والنطاقات الطيفية للأشعة تحت الحمراء البعيدة بأطوال موجية تتراوح من 2 مم إلى 500 نانومتر حيث تظهر الأغشية خصائص نموذجية للموصلات المعدنية.

وقد درس علماء معهد موسكو للفيزياء والتقنية ومعهد سكولكوفو للعلوم والتقنية توصيل الأغشية في نطاقات تيراهيرتز والأشعة تحت الحمراء باستخدام أغشية يتم تصنيعها بواسطة طريقة ترسب مرحلة الغاز. وصنعت بعض الأغشية من أنابيب نانوية بأطوال تتراوح من 0.3 إلى 13 نانومتر، في حين عولجت أغشية أخرى ببلازما الأكسجين لمدة 100 إلى 400 ثانية وغيرت خصائصها الكهروديناميكية في هذه العملية.

وفي دراسة سابقة، أثبت المؤلفون أنه يمكن وصف الموصلية للأغشية البكر عالية الجودة بدقة باستخدام نموذج الموصلية الصالح للمعادن. وفي هذه الأغشية، تمتلك الإلكترونات الحرة طاقة كافية للتغلب على الحواجز المحتملة عند تقاطعات الأنابيب النانوية الفردية ويمكنها التحرك بسهولة تامة فوق الغشاء بأكمله، مما يؤدي إلى الموصلية العالية.

ومع ذلك، فإن تقصير طول الأنابيب (حتى 0.3 نانومتر) أو تعريض الأغشية للبلازما (لمدة أطول من 100 ثانية) يؤدي إلى انخفاض في الموصلية عند ترددات تيراهيرتز المنخفضة (<0.3 تيراهيرتز). واكتشف الفريق أنه في كلتا الحالتين تتغير الموصلية بنفس الطريقة وتنتج نتائج مماثلة. ويؤدي التعرض للبلازما إلى كمية أكبر من العيوب، وبالتالي، كمية أكبر من الحواجز المحتملة أمام الإلكترونات المتنقلة.

وبالنسبة للأنابيب النانوية الأقصر، يزداد عدد الحواجز لكل وحدة مساحة أيضا. وتؤثر الحواجز بشدة على موصلية كل من الأنابيب النانوية والأغشية عند التيار المباشر (DC) والترددات المنخفضة إلى حد ما، لأنه في درجات الحرارة المنخفضة تفتقر الإلكترونات إلى الطاقة الحركية للتغلب على الحواجز المحتملة. وأظهر المؤلفون أنه على ترددات عالية بما فيه الكفاية تتحرك الإلكترونات بحرية كما لو أن الحواجز لم تكن موجودة. وعند الترددات المنخفضة وفي حالة التيار المستمر، تظهر الأغشية المكونة من أنابيب قصيرة أو معالجة بالبلازما معامل مقاومة أعلى لدرجة الحرارة (TCR) مما يدل على كيفية تغير المقاومة مع درجة الحرارة.

وبالنسبة للتعرض للبلازما لأكثر من 100 ثانية أو أطوال الأنابيب النانوية التي تقل عن 0.3 نانومتر، تصل معامل مقاومة أعلى لدرجة الحرارة إلى التشبع. ويمكن اعتبار التأثير مقدمة للحد من معامل مقاومة درجة الحرارة في الأغشية التي تتعرض للبلازما لفترة طويلة جدا عندما تتلف الأنابيب المنفصلة بشدة وتفقد خصائصها الكهربائية الغريبة.

ويخطط باحثو معهد موسكو للفيزياء والتقنية ومعهد سكولكوفو للعلوم والتقنية لمواصلة دراسة الأغشية المعدلة، بما في ذلك تلك الممتدة في اتجاه واحد أو أكثر.

ويعلق بوريس غورشونوف، المؤلف المشارك للورقة البحثية ورئيس مختبر معهد موسكو للفيزياء والتقنية لمطيافية (التحليل الطيفي) تيراهيرتز (Terahertz Spectroscopy) [٤]: “على النقيض من الأنابيب النانوية التي تمت دراستها منذ فترة طويلة بتفصيل كبير، لم يبدأ البحث في الأجسام الكلية، مثل أغشية الأنابيب النانوية، إلا مؤخرا. أغشية الأنابيب النانوية أخف بكثير وأكثر استقرارا كيميائيا وميكانيكيا من الأغشية المعدنية، وبالتالي فهي أكثر جاذبية لتطبيقات الإلكترونيات. ونظرا لأننا نعرف الفيزياء الأساسية وراء الخواص الكهربائية للأغشية، يمكننا ضبطها لتطبيقات واقعية محددة. البحوث في نطاق تيراهيرتز التي ستصبح قريبا في كل مكان في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية هي ذات أهمية خاصة”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2022-02-nanotube-prospects-electronics.html

لمزيد من المعلومات: س. س. زهوكوڤ وآخرون، Terahertz-infrared spectroscopy of wafer-scale films of single-walled carbon nanotubes treated by plasma, Carbon (2021).  DOI: 10.1016/j.carbon.2021.12.076

الهوامش:
[١] معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا (MIPT؛ المعروف أيضا باسم PhysTech)، هو جامعة أبحاث عامة تقع في موسكو، روسيا. إنه يعد متخصصين في الفيزياء النظرية والتطبيقية والرياضيات التطبيقية والتخصصات ذات الصلة. ويكيبيديا.
[٢] معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا أو سكولتيك (Skoltech) هو معهد خاص يقع في موسكو، روسيا. تأسس المعهد في عام 2011 كجزء من شراكة متعددة السنوات مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وهي من بين أفضل 100 جامعة شابة في العالم. ويكيبيديا.
[٣] الفوليرين هو تشبع من الكربون يتكون جزيئُه من ذرات كربون متصلة بروابط مفردة ومزدوجة لتشكيل شبكة مغلقة أو مغلقة جزئيا، مع حلقات تنصهر من خمس إلى سبع ذرات. قد يكون الجزيء كرة مجوفة أو بيضاوية الشكل أو أنبوب أو العديد من الأشكال والأحجام الأخرى. يمكن اعتبار الجرافين (الطبقات الذرية المعزولة من الجرافيت)، وهو شبكة مسطحة من الحلقات السداسية العادية، عضوا متطرفا في الأسرة. ويكيبيديا.
[٤] يكتشف التحليل الطيفي تيراهيرتز (Terahertz spectroscopy) ويتحكم في خصائص المادة ذات المجالات الكهرومغناطيسية التي تقع في نطاق التردد بين بضع مئات من جيجا هرتز وعدة تيراهيرتز. ويكيبيديا.