ساخت الماس رسانا

ساخت الماس رسانا برطبق یک مدل تئوری مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که با حذف گاف انرژی در نانوالماس‌ها ( به کمک اعمال کرنش ) این امر امکان پذیر است .

الماس که بعنوان سخت‌ترین ماده در بین مواد طبیعی شناخته می‌شود ، یک هادی‌ حرارتی و عایق‌ الکتریکی استثنایی است . در این پژوهش ( ساخت الماس رسانا ) ، محققان روشی کنترل شده برای دستکاری سوزن‌های ریز الماس ( Tiny needles of diamond ) و تغییر خصوصیات الکترونیکی آن‌ها ( تا حد رسانایی ) کشف کرده‌اند . این دگرگونی را می‌توان ، بدون تخریب الماس ، بصورت دینامیکی به آن القا کرد . این دگرگونی پویا و قابل برگشت است . شکل زیر سوزن‌های ریز الماس را نشان می‌دهد که تحت کرنش خم شده‌اند و این خم شدن قابل بازگشت است .

به گفته محققان تیم ساخت الماس رسانا ، این پژوهش اگرچه هنوز در مرحله اثبات مفهوم اولیه است ، اما ممکن است طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه از جمله انواع جدید سلول‌های خورشیدی پهن باند ( Broadband ) ،LED ها و دستگاه‌های نوری یا حسگرهای کوانتومی جدید را در بر بگیرد .

اعضای گروه تحقیقاتی ساخت الماس رسانا

محققان این مقاله عبارتند از :  Ju Li ( MIT ) ، Zhe Shi دانشجوی کارشناسی ارشد ، Ming Dao دانشمند اصلی تحقیقات ، Evgenii Tsymbalov و Alexander Shapeev از پژوهشکده علوم و فناوری Skolkovo در مسکو . این تیم ( تیم ساخت الماس رسانا ) با استفاده از ترکیبی از محاسبات مکانیک کوانتوم ، تجزیه و تحلیل تغییر شکل مکانیکی و یادگیری ماشین ( Machine learning ) نشان دادند که این پدیده ( که بعنوان یک احتمال تئوری بلند مدت است ) واقعا می‌تواند در الماس نانو مقیاس رخ دهد .

مکانیزم اصلی در ساخت الماس رسانا

بیش از دو دهه پیش ، اعمال کرنش در یک ماده نیمه هادی مانند سیلیسیم عملکرد آن را در کاربردهای صنعت میکرو الکترونیک بهبود ‌بخشید . با این حال ، این روش کرنش‌های کوچک ( حدود یک درصد ) را شامل می‌شد  . Li و همکاران ( محققان تیم ساخت الماس رسانا ) سال‌های زیادی را صرف توسعه مفهوم مهندسی کرنش الاستیک ( Elastic strain engineering ) کرده‌اند . این امر مبتنی بر توانایی ایجاد تغییرات چشمگیر در خصوصیات الکتریکی ، نوری ، حرارتی و سایر خصوصیات مواد است . اعمال کرنش مکانیکی متوسط تا بزرگ در مواد ( ساخت الماس رسانا )  ، نظم هندسی اتم‌ها را ( بدون بر هم زدن شبکه ) در شبکه کریستالی مواد تغییر می‌دهد . مهندسی کرنش ( Strain engineering ) به یک استراتژی کلی در ساخت نیمه هادی‌ها اشاره دارد که باعث افزایش عملکرد آن‌ها می‌شود .

آشنایی با مفهوم گاف انرژی در ساخت الماس رسانا

در یک پیشرفت بزرگ در سال ۲۰۱۸ یک تیم از دانشگاه پلی تکنیک Hong Kong به سرپرستی Suresh ، Dao و Lu Yang نشان داد که سوزن‌های ریز الماس ، که عرض آن‌ها فقط چند صد نانومتر است ، می‌توانند بدون شکستگی در دمای اتاق در کرنش‌های بزرگ خم شوند . آن‌ها توانستند این سوزن‌های نانویی را بطور مکرر توسط کرنش کششی تا ۱۰ درصد خم کنند ( تلاش‌هیی برای ساخت الماس رسانا ) . این سوزن‌ها می‌توانستند به شکل اصلی خود بازگردند . نکته اصلی این کار خاصیتی است که با عنوان Bandgap شناخته می‌شود و اساسا تعیین می‌کند که الکترون‌ها چگونه به راحتی درون یک ماده حرکت می‌کنند . بنابراین می‌توان گفت این ویژگی عامل اصلی در رسانایی الکتریکی مواد است .

Bandgap ( ساخت الماس رسانا ) : در فیزیک حالت جامد ، Bandgap یا گاف انرژی ( Energy gap ) یک ناحیه از طیف انرژی در یک جامد است که در آن ناحیه هیچ حالت الکترونیکی وجود ندارد . گاف انرژی در مواد عایق یا نیمه رسانا وجود دارد ؛ به همین دلیل است که الکترون‌ها نمی‌توانند از این مواد عبور کنند ( اما در مواد رسانا اینطور نیست ) .

روش ساخت الماس رسانا

الماس Bandgap بسیار گسترده‌ای دارد که برابر با ۵.۶ الکترون ولت است . این بدین معنی است که الماس یک عایق الکتریکی قوی است و الکترون‌ها نمی‌توانند به راحتی از آن عبور کنند . محققان در آخرین شبیه سازی‌های خود نشان دادند که می‌توان Bandgap الماس را به تدریج ، بطور مداوم و بطور برگشت پذیر تغییر داد و طیف گسترده‌ای از خصوصیات الکتریکی ( از عایق تا رسانا ) را در آن ایجاد کرد .

سخنان محققان تیم ساخت الماس رسانا

Li بیان کرد ” ما متوجه شدیم که می‌توان Bandgap الماس را از ۵.۶ الکترون ولت تا صفر الکترون ولت کاهش داد . نکته این است که اگر بتوانیم Bandgap را بطور مداوم از ۵.۶ به صفر الکترون ولت تغییر دهیم ، یعنی تمام دامنه Bandgap را پوشش داده‌ایم . از طریق مهندسی کرنش ، می‌توان الماسی ( ساخت الماس رسانا ) مشابه Bandgap سیلیسیم ( که بیشترین کاربرد را بعنوان نیمه هادی دارد ) یا مشابه  bandgap نیترید گالیم ( که برایLED ها استفاده می‌شود ) تولید کرد . علاوه بر این ، الماس حتی می‌تواند به یک ردیاب مادون قرمز نیز تبدیل شود یا طیف وسیعی از نور را از طیف مادون قرمز تا طیف ماوراءبنفش تشخیص دهد . “

Suresh ( محقق تیم ساخت الماس رسانا ) بیان کرد ” قابلیت مهندسی و طراحی الماس رسانا ، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی و پایداری آن ، انعطاف پذیری بی‌سابقه‌ای ( استثنایی ) در عملکرد آن ارائه می‌دهد . روش‌های نشان داده شده در این پژوهش می‌تواند از طریق مهندسی کرنش برای طیف گسترده‌ای از سایر مواد نیمه رسانا در کاربردهای مکانیکی ، میکروالکترونیک ، بیوپزشکی ، انرژی و فوتونیک مورد استفاده قرار گیرد . “

کاربردهای الماس رسانا

بنابراین ، بعنوان مثال ، یک قطعه کوچک الماس خم شده ( ساخت الماس رسانا ) در صورتی که گرادیان کرنشی در سرتاسر آن وجود داشته باشد ، می‌تواند به یک نوع سلول خورشیدی تبدیل شود که قادر است تمام فرکانس‌های نور را در یک دستگاه دریافت کند . این چیزی است که در حال حاضر تنها از طریق دستگاه‌های متوالی ( Tandem devices ) ، که انواع مختلفی از سلول‌های خورشیدی را به صورت لایه‌ای با هم جفت می‌کند تا باندهای مختلف جذب آن‌ها با هم ترکیب شوند ، بدست می‌آید . الماس‌های رسانا ( ساخت الماس رسانا ) می‌توانند بعنوان ردیاب‌های نوری با طیف گسترده ( Broad – spectrum photodetectors ) برای کاربردهای صنعتی یا علمی مورد استفاده قرار گیرند .

مزایا و معایب روش اعمال کرنش در ساخت الماس رسانا

یک محدودیت این روش این است که الماس هم به میزان مناسبی از کرنش و هم به جهت گیری صحیح شبکه بلوری نیاز دارد ؛  چرا که اگر کرنش از یک مقدار بحرانی فراتر شود الماس به گرافیت ( ماده نرم مورد استفاده در مدادها ) تبدیل می‌شود .

این روش ( روش ساخت الماس رسانا ) همچنین می‌تواند بسته به کاربرد مورد نظر ، الماس را به دو نوع نیمه رسانا با گاف انرژی ” مستقیم ” یا ” غیر مستقیم ” تبدیل کند . بعنوان مثال گاف انرژی مستقیم الماس در سلول‌های خورشیدی ، بسیار نازک‌تر از موادی مانند سیلیسیم است ؛ همچنین این گاف‌ها ( ساخت الماس رسانا ) جمع‌آوری بسیار کارآمدتری از نور را فراهم می‌کنند . در حالی که Bandgapهای غیر مستقیم الماس برای جمع آوری انرژی فوتون به مسیری بسیار طولانی‌تری نیاز دارد .

Li ( محقق تیم ساخت الماس رسانا ) پیشنهاد می‌کند که این روش می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه مانند آشکارسازهای بسیار حساس بر پایه کوانتوم که شامل اتم‌های ناقص و ناخالص ( Defects and dopant atoms ) الماس هستند ، استفاده شود . وی ( محقق تیم ساخت الماس رسانا ) افزود ” با استفاده از کرنش ، می‌توانیم سطح انتشار و جذب این نقص‌های نقطه‌ای را کنترل کنیم . علاوه‌براین اعمال کرنش می‌تواند روش‌های جدیدی از کنترل حالت‌های کوانتومی الکترونیک و هسته‌ای را در آن‌ها ایجاد کند . “

لی ( محقق تیم ساخت الماس رسانا ) بیان کرد ” اگر کاربرد یا شرایط خاصی را در ذهن داشته باشیم ، می‌توانیم الماس را برای آن هدف بهینه سازی کنیم ؛ چرا که مزیت اصلی روش کرنش الاستیک ، پویا بودن آن است . “

پویا بودن کرنش الاستیک در الماس بدین معنی است که در صورت لزوم می‌تواند بطور مداوم در طی زمان تغییر کند .

مرحله عملیاتی ساخت الماس رسانا

محققان می‌گویند این پدیده در مراحل اولیه است و هنوز نمی‌تواند وارد مرحله عملیاتی شود ، اما با انجام تحقیقات مداوم و امیدوار کننده در سراسر جهان در مورد رشد همگن الماس انتظار می‌رود که کاربردهای عملی در سال‌های آینده تا حدودی توسعه یابد . این پژوهش توسط دفتر تحقیقات دریایی ایالات متحده پشتیبانی شد .

خلاصه‌ای از خبر ساخت الماس رسانا

بر طبق یک مدل تئوری جدید هنگامی که یک عایق الکتریکی مانند الماس در معرض کرنش بسیار بالایی قرار گیرد ، به یک هادی فلزی تبدیل می‌شود . این امر عملکرد الماس را در شرایط مختلف بهبود می‌بخشد . یافته‌های محققان این تیم که بر اساس شبیه سازی ، محاسبات و نتایج تجربی قبلی است ، این هفته در مجله National Academy of Sciences منتشر شده است .

منبع خبر : سایت www.sciencedaily.com

تاریخ انتشار خبر : ۲۵ مهر ماه ۱۳۹۹

کد خبر : ۹۴۵