تبدیل ماده به ساختار‌های متنوع نانومقیاس بدون تغییر در ترکیب شیمیایی آن!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،نیمه‌رسانا‌ها نقش بی‌بدیلی در زندگی روزمره ما دارند و تقریبا در تمامی دستگاه‌های الکترونیکی حضور دارند. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این مواد، شکاف انرژی یا band gap است که تعیین‌کننده نحوه هدایت جریان الکتریکی توسط آنها است. تاکنون برای تغییر این ویژگی کلیدی، روش‌هایی همچون شکستن پیوند‌های شیمیایی یا افزودن عناصر دیگر به ماده به کار می‌رفته است که اغلب پیچیده و پرمصرف انرژی بوده‌اند.

در مطالعه‌ای مشترک از دانشگاه ناتینگهام انگلستان، مرکز پژوهشی EPSRC SuperSTEM دانشگاه اولم آلمان و شرکت BNNT آمریکا، ساختار‌های نوینی از سلنیوم به صورت نانوساختار‌های هسته-پوسته با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بررسی شدند. در این پژوهش از نانولوله‌ها به عنوان لوله‌های آزمایش بسیار کوچک بهره گرفته شد تا سلنیوم تحت شرایط محدود شده نانومقیاس شکل بگیرد.

به گزارش nottingham ویل کال پژوهشگر شیمی در دانشگاه ناتینگهام که آزمایش‌های میدانی را انجام داده است، می‌گوید: «سلنیوم نیمه‌رسانای قدیمی و شناخته شده‌ای است که در اولین سلول‌های خورشیدی به کار رفت. ما با کشف اشکال نوین سلنیوم که هنگام محدود شدن در مقیاس نانو شکل می‌گیرند، این ماده را دوباره زنده کردیم.»

در اندازه‌های بسیار کوچک، پیوند‌های اتمی سلنیوم دستخوش تغییر شده و زوایای پیوندی افزایش می‌یابد. این امر باعث صاف شدن ساختار مارپیچی اولیه و تبدیل آن به سیم‌های نازک اتمی می‌شود.

ویل کال ادامه می‌دهد: «با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و نانولوله‌ها به عنوان لوله‌های آزمایش، توانستیم ساختار‌های جدید سلنیوم را تصویر کنیم و نمودار فازی جدیدی ارائه دهیم که رابطه بین ساختار اتمی سلنیوم و قطر نانوسیم‌ها را نشان می‌دهد.»

گروه ناتینگهام پیش‌تر نیز با همین رویکرد، واکنش‌های شیمیایی مولکول‌های منفرد و انتقال فاز‌ها را در نیمه‌رسانا‌ها به صورت زنده و در سطح اتمی مشاهده کرده بودند.

به گفته کال، «به طور شگفت‌آوری دیدیم که لوله آزمایش نانو هنگام تصویربرداری نازک‌تر می‌شود. به عبارتی، نانوسیم سلنیوم داخل لوله مانند خمیردندان فشار داده شده و کشیده و نازک می‌شود. این کشف تصادفی به ما امکان داد مکانیسم تبدیل انواع مختلف نانوسیم‌ها را با دقت نزدیک به اتمی شرح دهیم؛ چیزی که تأثیر زیادی بر ویژگی‌های الکترونیکی آنها دارد.»

باندگپ انرژی نیمه‌رسانا‌ها تأثیر بسیار زیادی در کاربردشان در دستگاه‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی، ترانزیستور‌ها و فوتوکاتالیست‌ها دارد. کوئنتین راماس، مدیر مرکز EPSRC SuperSTEM، می‌گوید: «با ترکیب میکروسکوپ الکترونی عبوری با طیف‌سنجی انرژی الکترونی توانستیم باندگپ انرژی زنجیره‌های منفرد سلنیوم را اندازه‌گیری کنیم. این اندازه‌گیری‌ها نشان داد که گاف انرژی به طور دقیق به قطر نانوسیم‌ها وابسته است.»

برخلاف نانولوله‌های کربنی که به خاطر جذب انرژی بالا، تداخل در بررسی تغییرات الکترونیکی ایجاد می‌کنند، نانولوله‌های نیترید بورون به خاطر شفافیت بالا امکان مشاهده دقیق تغییرات گاف انرژی در نانوسیم‌های سلنیوم را فراهم می‌کنند.

طبق قانون مور، تعداد ترانزیستور‌های روی یک تراشه هر دو سال دو برابر می‌شود و این به معنای کوچکتر شدن قطعات الکترونیکی است. آندری خلویستوف از دانشگاه ناتینگهام می‌گوید: «ما حد نهایی کوچک‌شدن نانوسیم‌ها را بررسی کردیم به طوری که ویژگی‌های الکترونیکی مفیدشان حفظ شود. این موضوع در سلنیوم به کمک تغییرات ساختاری اتمی و محدودیت کوانتومی امکان‌پذیر است و اجازه می‌دهد گاف انرژی در محدوده‌ای کاربردی باقی بماند.»

محققان امیدوارند در آینده این مواد نوین در دستگاه‌های الکترونیکی به کار گرفته شوند. تنظیم دقیق گاف انرژی سلنیوم با تغییر قطر نانوسیم می‌تواند امکان طراحی دستگاه‌های الکترونیکی سفارشی را تنها با یک عنصر فراهم کند.

این تحقیق با حمایت مالی برنامه EPSRC «اتم‌های فلزی روی سطوح و رابط‌ها برای آینده‌ای پایدار» (MASI) و پروژه «مهار رادیکال‌ها» بنیاد Leverhulme انجام شده است.

دانشگاه ناتینگهام با مرکز تحقیقاتی nmRC از پیشگامان عرصه نانوفناوری است که امکانات و تخصص‌های منحصربه‌فردی را برای تحقیقات میان‌رشته‌ای از مواد کاربردی تا فناوری‌های کوانتومی و مراقبت‌های بهداشتی فراهم می‌آورد.