الجرافين: هل هو مستقبل أشباه الموصلات؟ نظرة عامة على المادة والأجهزة والتطبيقات

[et_pb_section fb_built =”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″ الخلفية_حجم=”الأولي” خلفية_الموضع=”top_left” خلفية_كرر=”تكرار ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ الخلفية_حجم=”initial” الخلفية_position=”top_left” الخلفية_repeat=”repeat” global_colors_info=”{}”]

الجرافين: هل هو مستقبل أشباه الموصلات؟ نظرة عامة على المادة والأجهزة والتطبيقات

بقلم ياو أوبينج وبوروشوتامان سرينيفاسان

In   مقالة - سلعة، we محاولة إلى تلخيص القادم الجرافين جزء من سلسلة ندوات الجمعية الكهروكيميائية حول "الجرافين، Ge/أشباه الموصلات من النوع III-V، والأسلاك النانوية، والمواد الناشئة لما بعد تقنية CMOS التطبيقات.1 على الرغم من أنها ليست شاملة وكاملة، إلا أن المراجعة تقدم الأوراق المقدمة في هذه الندوات ملخصًا موجزًا
لمحة عن حالة أبحاث الجرافين خلال السنوات القليلة الماضية سنوات.

 

تاريخ الجرافين
منذ عام 1947، تم التنبؤ بأن الجرافين سيتمتع بخصائص إلكترونية استثنائية إذا أمكن عزله.^2،3 لسنوات، اعتُبر الجرافين (الشكل 1) مادة أكاديمية موجودة نظريًا فقط، وافتُرض عدم وجوده كمادة مستقلة نظرًا لطبيعته غير المستقرة. وكان أ. جيم وك. نوفوسيلوف وزملاؤهما من أوائل من نجحوا في الحصول على أغشية الجرافين المستقلة،⁴ وهو إنجازٌ باهر. لذا، فإن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010 التي مُنحت لجيم ونوفوسيلوف عن "تجاربهما الرائدة المتعلقة بمادة الجرافين ثنائية الأبعاد" تستحق الاحتفاء بها كتقديرٍ للإبداع المتميز في الفيزياء التجريبية.

يُعرّف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) الجرافين بأنه طبقة كربونية واحدة ضمن بنية الجرافيت، ويصف طبيعته بالقياس إلى هيدروكربون عطري متعدد الحلقات ذي حجم شبه لانهائي.⁵ لذا، ينبغي استخدام مصطلح "الجرافين" فقط عند مناقشة التفاعلات أو العلاقات البنيوية أو الخصائص الأخرى لطبقة واحدة. وقد استُخدمت سابقًا مصطلحات أخرى مثل "طبقات الجرافيت" أو "طبقات الكربون" أو "صفائح الكربون" للإشارة إلى الجرافين.

السباق لعزل الجرافين

بُذلت جهودٌ حثيثةٌ ومتواصلةٌ لتحقيق إنتاج أغشية غرافين حرة. وقد دُرست طرقٌ مختلفةٌ لعزل الغرافين. ومن أوائل المحاولات الموثقة لعزل الغرافين كانت التقشير باستخدام الطرق الفيزيائية أو الكيميائية. فعلى سبيل المثال، تم تقشير الغرافيت لأول مرة عام 1840، عندما حاول سي. شافهايتل تنقية "الكيش" من مصاهر الحديد بمعالجته بمزيج من حمض الكبريتيك وحمض النيتريك.⁶ تم تحضير أكسيد الجرافيت لأول مرة بواسطة برودي في عام 1859، عن طريق معالجة الجرافيت بمزيج من كلورات البوتاسيوم وحمض النيتريك المدخن.^7,8 بوم وآخرون. وصف تكوين صفائح رقيقة للغاية من الكربون، تتكون من بضع طبقات من الكربون كما تم قياسها بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ، إما عن طريق "احتراق أكسيد الجرافيت عند التسخين أو عن طريق اختزال أكسيد الجرافيت في معلق قلوي".⁹ لقد قيل إن تقنيات تحضير العينات المستخدمة في صنع عينات المجهر الإلكتروني النافذ أدت إلى تكتل طبقة الجرافين الأحادية في الصفائح التي وصفها بوهم وآخرون. لم يتم في أي من هذه الأعمال المبكرة عزل أو تحديد ملفات الجرافين أو أكسيد الجرافين "القائمة بذاتها" على هذا النحو.

نجحت مجموعة جيم (الشكل 2أ) في عزل طبقات رقيقة من الجرافيت على المستوى الذري باستخدام شريط لاصق لتقشير طبقات من رقائق بلورات الجرافيت، ثم فرك هذه الطبقات الجديدة برفق على سطح سيليكون مؤكسد. كما تمكنوا من تحديد سمك هذه الطبقة، الذي بلغ بضعة أنغسترومات، باستخدام مجهر القوة الذرية. تشبه تقنية "الشريط اللاصق" التي ابتكروها إلى حد كبير استخدام الشريط اللاصق لتقشير البلورات الطبقية بشكل روتيني (على سبيل المثال، الجرافيت، الميكا، إلخ)، المرتبطة ببعضها البعض بواسطة قوى فان دير فالس، لكشف أسطح جديدة.^10,11

في العقد الماضي تقريبًا، استخدم فريق في معهد جورجيا للتكنولوجيا بقيادة والتر دي هير طريقة النمو الطبقي لعزل الجرافين (الشكل 2ب). تم اختيار كربيد السيليكون كركيزة، وأثبت الفريق إمكانية إنتاج الجرافين الطبقي عن طريق التحلل الحراري لكربيد السيليكون، والذي يمكن تشكيله والتحكم فيه.¹² علاوة على ذلك، أظهروا أن الجرافين المُرسب فوقيًا يتمتع بخصائص إلكترونية ثنائية الأبعاد، بالإضافة إلى تأثيرات الحصر الكمومي والترابط الكمومي. في الوقت نفسه، استخدم فريق فيليب كيم في جامعة كولومبيا المجهر الذري الماسح لفصل طبقات الجرافين ميكانيكيًا عن الجرافيت، ونجحوا في عزل بنية متعددة الطبقات تتألف من حوالي عشر طبقات.¹³

 

نجح فريق روف مؤخراً في تصنيع الجرافين باستخدام النمو المتناحي عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار للهيدروكربونات على ركائز معدنية. في هذه الحالة، كانت الركيزة المعدنية من النحاس (الشكل 2ج).¹⁴ تتميز هذه التقنية بسهولة تطبيقها على مساحات واسعة بمجرد زيادة حجم ركيزة النحاس المعدنية ونظام النمو. وبشكل عام، يُعدّ النمو المتناحي للجرافين المسار الأمثل للإنتاج، ويشهد هذا المجال تقدماً سريعاً. وبالمثل، نجح فريق كونغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تنمية الجرافين بالنمو المتناحي على أسطح معدنية، مثل النيكل أو البلاتين (الشكل 2ج).¹⁵ في هذه التقنية، يتم نقل طبقة الجرافين على ركائز العمل المناسبة عن طريق الإزالة الكيميائية للركيزة المعدنية الأولية.

خصائص الجرافين

الجرافين عبارة عن طبقة أحادية مسطحة من sp² تتراص ذرات الكربون بإحكام في شبكة ثنائية الأبعاد (2D) تشبه خلية النحل، وهي وحدة بناء أساسية للمواد الكربونية (الشكل 1). في عام 1947، استخدم والاس نظرية نطاقات المواد الصلبة مع تقريب الربط المحكم، لشرح العديد من الخصائص الفيزيائية للجرافيت.³ في تلك الورقة، يطرح المؤلف فرضيةً بالغة الدقة: "بما أن المسافة بين مستويات الشبكة البلورية للجرافيت كبيرة (3.37 أنغستروم) مقارنةً بالمسافة السداسية في الطبقة (1.42 أنغستروم)، فإنه يمكن الحصول على تقريب أولي في معالجة الجرافيت بإهمال التفاعلات بين المستويات، وافتراض أن التوصيل يحدث فقط في الطبقات." هذه الفرضية تجعل التحليلات اللاحقة قابلة للتطبيق بسهولة على المادة التي نعرفها الآن باسم الجرافين.

لا يقتصر الأمر على كون نظام الجرافين ثنائي الأبعاد مثيرًا للاهتمام في حد ذاته فحسب، بل إنه يتيح أيضًا الوصول إلى فيزياء الديناميكا الكهربائية الكمومية الدقيقة والغنية من خلال تجربة معملية. نوفوسيلوف وآخرون.¹⁶ أظهرت الدراسات أن انتقال الإلكترونات في الجرافين يخضع أساسًا لمعادلة ديراك (النسبية). تحاكي حاملات الشحنة في الجرافين الجسيمات النسبية ذات الكتلة السكونية الصفرية، ولها سرعة فعالة تساوي سرعة الضوء، c* ≈ 10⁶ cm^{- 1}s^-1كشفت دراستهم عن مجموعة متنوعة من الظواهر غير المألوفة التي تميز فرميونات ديراك ثنائية الأبعاد. وعلى وجه الخصوص، لاحظوا أن موصلية الجرافين لا تنخفض أبدًا عن قيمة دنيا تُقابل وحدة التوصيل الكمومي، حتى عندما تقترب تركيزات حاملات الشحنة من الصفر. علاوة على ذلك، فإن تأثير هول الكمومي الصحيح في الجرافين شاذٌّ لأنه يحدث عند عوامل ملء نصف صحيحة، وكتلة السيكلوترون. m_c يتم وصف حاملات الشحنة عديمة الكتلة في الجرافين بواسطة E = m_cc_*².

من أبرز جوانب الفيزياء التي أتاحها عزل الجرافين، البرهان التجريبي على ما يُعرف بمفارقة كلاين، وهي اختراق الجسيمات النسبية لحواجز جهد عالية وواسعة دون عوائق. وقد نُوقشت هذه الظاهرة في سياقات عديدة في فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية والفيزياء الفلكية، إلا أن الاختبارات المباشرة لمفارقة كلاين باستخدام الجسيمات الأولية كانت حتى الآن مستحيلة. (كاتسنيلسون) وآخرون. أظهرت النتائج أنه يمكن اختبار هذا التأثير في تجربة بسيطة من الناحية المفاهيمية للمادة المكثفة باستخدام الحواجز الكهروستاتيكية في طبقة واحدة وطبقتين من الجرافين.¹⁷ بسبب الطبيعة الكيرالية لجسيماتها شبه الكمومية، يصبح النفق الكمومي في هذه المواد شديد التباين، ويختلف نوعيًا عن حالة الإلكترونات العادية غير النسبية. تسمح فرميونات ديراك عديمة الكتلة في الجرافين بتحقيق قريب لتجربة كلاين الفكرية، بينما توفر فرميونات كيرالية ذات كتلة في الجرافين ثنائي الطبقة نظامًا تكميليًا مثيرًا للاهتمام يوضح الفيزياء الأساسية المعنية.

إلى جانب هذه الأمثلة على الفيزياء الجديدة، أظهر الجرافين بعض الخصائص الإلكترونية المذهلة، كما هو موضح أدناه.

حاملات الشحنة في الجرافين.تفقد الإلكترونات التي تنتشر عبر الشبكة السداسية كتلتها الفعالة تمامًا، مما ينتج عنه جسيمات شبهية تُسمى "فيرميونات ديراك"، والتي تُوصف بمعادلة شبيهة بمعادلة ديراك بدلًا من معادلة شرودنغر، كما هو موضح في الشكلين 3أ و3ب. ويمكن اعتبار هذه الجسيمات إلكترونات ذات كتلة صفرية m.₀ أو كنيوترينوات اكتسبت شحنة الإلكترون e. يُظهر الجرافين ثنائي الطبقة نوعًا آخر من الجسيمات شبه الحقيقية التي لا يوجد لها نظائر معروفة. وهي فرميونات ديراك ضخمة تُوصف بمزيج من معادلات ديراك وشرودنغر.

بنية نطاقات الجرافين.الجرافين شبه فلز، وهو شبه موصل ذو فجوة طاقة صفرية (الشكل 4أ). إضافةً إلى ذلك، يتغير التركيب الإلكتروني للجرافين ثنائي الطبقة بشكل ملحوظ بفعل تأثير المجال الكهربائي، ويمكن ضبط فجوة الطاقة شبه الموصلة ΔE باستمرار من الصفر إلى ≈0.3 إلكترون فولت إذا تم استخدام SiO₂ يُستخدم كمادة عازلة. وقد قدمت دراسة حديثة أجرتها شركة IBM دليلاً على أنه تم ضبط فجوة نطاق الطاقة إلى حوالي 0.13 إلكترون فولت باستخدام التركيب الموضح في الشكل 4ب.

التوصيل الحراري والحركية.الجرافين مادة ثنائية الأبعاد، حيث يكون تشتت الفونونات ضئيلاً أو معدوماً. وبشكل عام، تشارك الفونونات منخفضة الطاقة في النظام في نقل الحرارة؛ لذا، يتميز الجرافين بموصلية حرارية عالية. ويُظهر الجرافين تأثير المجال الكهربائي ثنائي القطب (الشكل 5أ)، بحيث يمكن ضبط حاملات الشحنة باستمرار بين الإلكترونات والفجوات بتركيزات تصل إلى 10.¹³ cm^-2 (الشكل 5ب)، وحركيتها μ التي تتجاوز 15,000 سم² V^-1 s^-1 حتى في الظروف المحيطة. تعتمد حركية الإلكترونات المرصودة بشكل طفيف على درجة الحرارة T، مما يعني أن μ عند 300 كلفن لا تزال محدودة بتشتت الشوائب، وبالتالي يمكن تحسينها بشكل ملحوظ، وربما تصل إلى ≈100,000 سم⁻¹² V^-1 s^-1في الجرافين، تبقى قيمة μ عالية حتى عند قيم n العالية (>10¹² cm^-2) في كل من الأجهزة المشوبة كهربائيا وكيميائيا، وهو ما يترجم إلى نقل باليستي على مقياس دون الميكرومتر (حالياً يصل إلى ≈0.3 ميكرومتر عند 300 كلفن).

ومن المؤشرات الأخرى على الجودة الإلكترونية الفائقة للنظام تأثير هول الكمي (QHE) الذي يمكن ملاحظته (الشكل 5 ج)، في الجرافين حتى في درجة حرارة الغرفة، مما يوسع نطاق درجة الحرارة السابق لتأثير هول الكمي بمعامل 10. تطبيقات الجرافين

إن الخصائص الفريدة للجرافين، الموضحة في القسم السابق، بالإضافة إلى: (أ) شفافيته البصرية العالية، (ب) خموله الكيميائي، و(ج) انخفاض تكلفته، تجعله مناسبًا للعديد من التطبيقات الصناعية. وفيما يلي عرضٌ تفصيليٌّ لبعض هذه التطبيقات التي تستفيد من خصائص محددة للجرافين.

• تؤدي الحركة العالية حتى عند أعلى تركيزات ناتجة عن المجال الكهربائي إلى جعل حاملات الشحنة تتحرك بشكل باليستي، مما ينتج عنه جهاز FET باليستي عند درجة حرارة 300 كلفن.
• نظراً لتناظرها وتشتتها الخطي، فهي مناسبة لتطبيقات الترددات الراديوية والترددات العالية مثل أجهزة الكشف عن الترددات تيراهيرتز والليزر.
• كما أن لها تطبيقات في أجهزة الاستشعار الكيميائية والتطبيقات القائمة على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS).
• هناك طريق آخر للإلكترونيات القائمة على الجرافين وهو اعتبار الجرافين كصفيحة موصلة بدلاً من مادة قناة يمكن استخدامها لصنع ترانزستور أحادي الإلكترون (SET).
• ترانزستورات التأثير الحقلي فائقة التوصيل والإلكترونيات الدورانية في درجة حرارة الغرفة
• أقطاب كهربائية شفافة

يُعدّ ترانزستور تأثير المجال بترددات الراديو (RF-FET) أحد الأجهزة التجارية الواعدة القائمة على الجرافين، نظرًا لخصائصه الملائمة لتطبيقات الطاقة المنخفضة والسرعة العالية. وقد أثبتت شركة IBM نجاحها في تصنيع ترانزستور RF-FET على رقائق سيليكون بقطر بوصتين باستخدام كربيد السيليكون (SiC) كركيزة.¹⁸ لقد حققوا أداءً كهربائيًا فائقًا عندما كان الجهاز ذاتي الأداء، مما أدى إلى تحسين حركة هول وزيادة التيار._D وز_mبالإضافة إلى ذلك، حصلوا على_t تصل السرعة القصوى إلى 170 جيجاهرتز عند أطوال بوابة 90 نانومتر (الشكل 6أ). كما حققت سامسونج خصائص جيدة لجهاز الترددات الراديوية على رقائق سيليكون بقياس 6 بوصات.¹⁹ مع كسب حالي قريب من 200 جيجاهرتز عند 0.24 ميكرومتر (الشكل 6ب).

 

على الرغم من استخدام مادة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ كعازل للبوابة في كلتا الحالتين، إلا أن مادة h-BN تبدو خيارًا أفضل نظرًا لمادتها

HAS²⁰ تتشابه هذه البنية مع الجرافين (الشكل 6ج). وهي عبارة عن بنية عازلة متماثلة الشكل للجرافيت، مما يُحسّن من حركة الإلكترونات في أجهزة الجرافين. مع ذلك، تُعدّ مقاومة التلامس المنخفضة مشكلة رئيسية تحدّ من أداء هذه الأجهزة؛ إذ تبلغ قيم مقاومة التلامس حاليًا بضعة كيلو أوم.

ومن التطبيقات المحتملة الأخرى للجرافين على المدى القريب شاشة اللمس الشفافة التي عرضتها شركة سامسونج.²¹ باستخدام أسطوانة، تم نقل طبقة الجرافين المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) عن طريق الضغط عليها على دعامة بوليمرية لاصقة، ثم أُزيل النحاس بالحفر، تاركًا طبقة الجرافين ملتصقة بالبوليمر. بعد ذلك، يمكن ضغط الجرافين على ركيزة نهائية - مثل بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) - باستخدام أسطوانات أخرى، ثم يُفصل اللاصق البوليمري بالتسخين. يمكن إضافة طبقات لاحقة من الجرافين بطريقة مماثلة، مما يُنتج طبقة جرافين كبيرة. تم تطعيم الجرافين بمعالجته بحمض النيتريك، مما أدى إلى الحصول على قطب كهربائي شفاف كبير، وقد ثبتت فعاليته في تطبيق شاشة لمس (الشكل 7). يُمكن لهذا القطب الكهربائي المصنوع من الجرافين أن يحل محل الأقطاب الكهربائية الشفافة التقليدية المستخدمة في مثل هذه التطبيقات، والمصنوعة حاليًا من أكاسيد موصلة شفافة مثل أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO). مع ذلك، يتميز قطب الجرافين بشفافية أفضل ومتانة أكبر. عادةً ما تكون المواد الأكسيدية مثل ITO هشة وضعيفة، مما يؤدي إلى عمر افتراضي محدود؛ بينما تتميز الشاشات المصنوعة من الجرافين بعمر افتراضي طويل.

حول المؤلف

ياو أوبينغ يتمتع بخبرة تزيد عن 20 عامًا في القيادة التقنية في بيئات الشركات وريادة الأعمال والأوساط الأكاديمية. يشغل حاليًا منصب عالم أول في مكتب برامج الإلكترونيات الدقيقة بالمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في غايثرسبيرغ، ميريلاند.

عمل سابقًا مع شركات AT&T/Lucent Technologies/Agere Systems، ومختبرات بيل، وتكساس إنسترومنتس. كما شارك في تأسيس شركتين ناشئتين (psiloQuest, Inc. وNkanea Technologies, Inc.) متخصصتين في تطوير مواد جديدة لتصنيع أشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية. وهو مخترع لأكثر من 50 براءة اختراع أمريكية ودولية، ونشر أكثر من 100 بحث في مختلف المجلات التقنية. يشغل الدكتور أوبينغ منصب أستاذ مساعد في جامعة كليمسون وجامعة سنترال فلوريدا في أورلاندو، حيث أشرف على العديد من طلاب الدراسات العليا. وهو زميل في المعهد الأمريكي للكيميائيين. يمكن التواصل معه عبر [البريد الإلكتروني محمي].

بوروشوثامان سرينيفاسان يشغل حاليًا منصب عضو في الطاقم الفني بشركة تكساس إنسترومنتس في دالاس. وقد شارك في أبحاث وتطوير أجهزة CMOS المتقدمة لتطبيقات الطاقة المنخفضة، مع التركيز على ضوضاء 1/f. تشمل أنشطته الحالية تنظيم ندوات حول الجرافين في جمعية الكيمياء الكهربائية (ECS). وهو أيضًا عضو في اللجنة التنفيذية ورئيس قسم العضوية في قسم علوم وتكنولوجيا العوازل الكهربائية في ECS. كما أنه عضو في المجلس الاستشاري الفني لمركز أبحاث المواد (SRC) وعضو اتصال في العديد من المشاريع. قبل انضمامه إلى تكساس إنسترومنتس، حصل على درجة الدكتوراه من معهد IMEC في لوفين ومعهد نيوجيرسي للتكنولوجيا (NJIT) عام 2007. أمضى صيف عام 2006 باحثًا في مركز أبحاث IBM TJ Watson في يوركتاون هايتس، نيويورك. فاز بجائزة هاشيموتو لأفضل أطروحة دكتوراه عام 2007. وهو عضو بارز في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، وقد حرر كتابين، وله أكثر من 50 منشورًا دوليًا، بالإضافة إلى 3 براءات اختراع، ويعمل أيضًا كمراجع لما لا يقل عن 6 مجلات، بما في ذلك... مجلة الجمعية الكهروكيميائيةيمكن التواصل معه عبر psrinivasan@ ti. com.

المصدر spr11_p047-052.pdf

[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]