بدت الطبقة الرقيقة جدًا للإلكترونيات وكأنها عازل معجزة، لكن تسربًا خفيًا خدع الباحثين لأكثر من عقد من الزمن

عندما تعمل سترتك الشتوية على إبطاء هروب الحرارة من جسمك أو عندما يمنع الغلاف الورقي الموجود على قهوتك الحرارة من الوصول إلى يدك، فإنك ترى العزل أثناء العمل. في كلتا الحالتين، الفكرة هي نفسها: منع الحرارة من التدفق حيث لا تريدها. لكن هذا المبدأ الفيزيائي لا يقتصر على الحرارة.

وتستخدمه الإلكترونيات أيضًا، ولكن مع الكهرباء. يمنع العازل الكهربائي التيار من التدفق حيث لا ينبغي. ولهذا السبب يتم تغليف أسلاك الكهرباء بالبلاستيك. البلاستيك يحافظ على الكهرباء في السلك وليس في يدك.

داخل الإلكترونيات، تقوم العوازل بأكثر من مجرد الحفاظ على سلامة المستخدم. كما أنها تساعد الأجهزة على تخزين الشحن بطريقة يمكن التحكم فيها. وفي هذا الدور، كثيرًا ما يطلق عليها المهندسون اسم العوازل. تقع هذه الطبقات العازلة في قلب المكثفات والترانزستورات. المكثف هو أحد مكونات تخزين الشحنة – فكر فيه كبطارية صغيرة، على الرغم من أنها تمتلئ وتفرغ بشكل أسرع بكثير من البطارية. الترانزستور هو مفتاح كهربائي صغير. يمكنه تشغيل التيار أو إيقافه، أو التحكم في مقدار تدفقات التيار.

تعمل المكثفات والترانزستورات معًا على تشغيل الأجهزة الإلكترونية الحديثة. فهي تساعد الهواتف على تخزين المعلومات، وتساعد أجهزة الكمبيوتر على معالجتها. إنها تساعد أجهزة الذكاء الاصطناعي الحالية على نقل كميات هائلة من البيانات بسرعة عالية.

ما يفاجئ معظم الناس هو مدى ضعف هذه العوازل العازلة للتيار الكهربائي. في الرقائق الدقيقة الحديثة، يمكن أن يصل سمك الطبقات العازلة الرئيسية إلى بضعة نانومترات فقط. وهذا أرق بعشرات الآلاف من المرات من شعرة الإنسان. يمكن أن يحتوي الهاتف الحديث على مليارات الترانزستورات، لذا فإن تصغير حجمها حتى بمقدار نانومتر واحد يمكن أن يُحدث فرقًا على هذا النطاق.

باعتباري عالمة في مجال الكهرباء والمواد، أعمل مع مستشارتي، تارا بي داكال، في جامعة بينجهامتون لفهم كيفية جعل هذه الطبقات العازلة رقيقة قدر الإمكان مع الحفاظ على موثوقيتها.

لا تؤدي المواد العازلة الرقيقة إلى تقليص الأجهزة فحسب. يمكنهم أيضًا المساعدة في تخزين المزيد من الشحن. ولكن على هذا النطاق، تصبح الإلكترونيات صعبة. في بعض الأحيان، ما يبدو وكأنه إنجاز كبير ليس كما يبدو تمامًا. ولهذا السبب فإن تركيزنا لا ينصب فقط على جعل المواد العازلة ضعيفة. إنه يجعلهم نحيفين وجديرين بالثقة.

ما الذي يجعل عازلًا أفضل من الآخر؟

في كل من المكثفات والترانزستورات، البنية الأساسية بسيطة: فهي تحتوي على موصلين يفصل بينهما عازل رقيق. إذا قمت بتقريب الموصلات، يمكن أن يتراكم المزيد من الشحن. إنه مثل مغناطيسين قويين بينهما ورقة – كلما كانت الورقة أرق، كلما كان السحب أقوى.

لكن التخفيف له حدود. في الترانزستورات، يفقد ثاني أكسيد السيليكون العازل الكلاسيكي قدرته على العزل عند حوالي 1.2 نانومتر. عند هذا المقياس، يمكن للإلكترونات أن تتسلل عبر طريق مختصر يسمى النفق الكمي. تسرب ما يكفي من الشحن من خلال الجهاز لم يعد عمليًا.

عندما تكون المواد رقيقة جدًا لدرجة أنها تبدأ بالتسرب، يكون لدى المهندسين رافعة أخرى. يمكنهم التحول إلى عازل يخزن المزيد من الشحنات دون أن يصبح رقيقًا للغاية. يتم وصف هذه القدرة بمقياس يسمى ثابت العزل الكهربائي، مكتوبًا بالرمز k. يمكن للمواد ذات الكثافة العالية تحقيق هذا التخزين بطبقة أكثر سمكًا، مما يجعل مرور الإلكترونات أكثر صعوبة.

على سبيل المثال، ثاني أكسيد السيليكون لديه k حوالي 3.9، وأكسيد الألومنيوم لديه k حوالي 8، أي ضعف ذلك. إذا تسربت طبقة ثاني أكسيد السيليكون بقطر 1.2 نانومتر كثيرًا، فيمكنك التبديل إلى طبقة أكسيد الألومنيوم بقطر 2.4 نانومتر والحصول على نفس تخزين الشحنة تقريبًا. نظرًا لأن الفيلم أكثر سمكًا ماديًا، فلن يتسرب كثيرًا.

الاختراق الذي لم يكن كذلك

في عام 2010، أبلغ فريق من الباحثين في مختبر أرجون الوطني عن شيء بدا شبه مستحيل: لقد صنعوا طبقة رقيقة جدًا تحتوي على ما يبدو على ثابت عازل عملاق، يقارب 1000. ولم تكن المادة عبارة عن مركب جديد واحد. لقد كانت مادة نانولامينات، وهي عبارة عن كعكة ذات طبقة مجهرية. في النانولامينات، يمكنك تكديس مادتين في طبقات ABAB المتكررة، على أمل أن تخلق واجهاتها خصائص لا تمتلكها أي من المواد بمفردها.

في هذا العمل، تناوبت المكدسة بين أكسيد الألومنيوم، مع ak حوالي 8، وأكسيد التيتانيوم، مع ak حوالي 40. قام الباحثون ببناء المكدس عن طريق تنمية طبقة جزيئية واحدة في كل مرة، وهو مثالي لبناء والتحكم في طبقات بمقياس نانومتر في النانولامينات.

عندما صنع الفريق كل طبقة فرعية بحجم أقل من نانومتر، وجد أن المادة بأكملها كانت قادرة على الاحتفاظ بكمية لا تصدق من الشحنة – وبالتالي العملاق k.

أثارت النتيجة سنوات من أعمال المتابعة وتقارير مماثلة في مجموعات أخرى من الأكاسيد.

ولكن هناك تطور. في دراستنا الأخيرة لنظام نانولامينات أكسيد الألومنيوم/أكسيد التيتانيوم، وجدنا أن قيمة k العملاقة الظاهرة كانت خطأ في القياس.

في دراستنا، لم تكن النانولامينات تعمل كعازل نظيف، وكانت تتسرب بدرجة كافية لتضخيم قيمة k. فكر في دلو به شق شعري: تستمر في الصب، ويبدو أن الدلو يحمل الكثير، على الرغم من أن الماء لن يبقى بالداخل.

بمجرد أن اكتشفنا أن هناك تسربًا وراء النتيجة k العملاقة، شرعنا في حل اللغز الأكبر. أردنا أن نعرف ما الذي يجعل النانولامينات تتسرب، وما هو التغيير في العملية الذي يمكن أن يجعلها عازلة حقًا.

الجاني

بحثنا أولاً عن السبب الواضح: العيب المرئي. إذا تسربت مجموعة من الأفلام، فإنك تتوقع وجود ثقوب أو شقوق. لكن النانولامينات بدت سلسة ومستمرة تحت المجهر. فلماذا تفشل المكدس الذي يبدو صلبًا؟

الجواب لم يكن في الشكل، بل في الكيمياء. لم تكن الطبقات الفرعية الأولى من أكسيد الألومنيوم تحتوي على كمية كافية من الألومنيوم. وهذا يعني أن الفيلم بدا متواصلًا، لكنه لا يزال غير مكتمل على المستوى الذري. يمكن للإلكترونات العثور على مسارات متصلة والهروب من خلالها. لقد كان مستمرًا جسديًا ولكنه متسرب كهربائيًا.

العملية التي نقوم بها لإنشاء هذه الأفلام، والتي تسمى ترسيب الطبقة الذرية، تستخدم دورات صغيرة قابلة للتكرار. تقوم بإضافة مادتين كيميائيتين، واحدة تلو الأخرى. كل زوج هو دورة واحدة. بالنسبة لأكسيد الألومنيوم، غالبًا ما يكون الزوج ثلاثي ميثيل الألومنيوم (TMA)، وهو مصدر الألومنيوم، والماء، وهو مصدر الأكسجين. معًا، ينتجون أكسيد الألومنيوم، وتضيف دورة واحدة تقريبًا طبقة واحدة من المادة – حوالي عُشر النانومتر. ومن خلال تكرار الدورات، يمكنك زيادة الفيلم إلى السُمك الذي تحتاجه: حوالي 10 دورات لـ 1 نانومتر، و25 دورة لـ 2.5 نانومتر، وهكذا.

ولكن هناك صيد. عندما تقوم بترسيب أكسيد الألومنيوم فوق أكسيد التيتانيوم، فإن المادة الكيميائية الأولى لأكسيد الألومنيوم – TMA – يمكنها سرقة الأكسجين من طبقة أكسيد التيتانيوم الموجودة بالأسفل. تؤدي هذه المشكلة إلى إزالة بعض المواقع التي يتفاعل معها مصدر الألومنيوم عادةً على سطح الطبقة. لذا، فإن طبقة أكسيد الألومنيوم الأولى لا تنمو بشكل متساوٍ وينتهي بها الأمر بكمية أقل من الألومنيوم مما ينبغي.

تترك هذه المشكلة نقاط ضعف صغيرة حيث يمكن للإلكترونات أن تتسلل من خلالها وتسبب التسرب. وبمجرد أن يصبح أكسيد الألومنيوم سميكًا بدرجة كافية – حوالي 2 نانومتر – فإنه يشكل حاجزًا أكثر اكتمالًا، ويتم إغلاق مسارات التسرب هذه بشكل فعال.

تغيير واحد صغير قلب النتيجة. لقد احتفظنا بنفس مصدر الألومنيوم، TMA، ولكننا قمنا بتبديل مصدر الأكسجين. بدلا من الماء، استخدمنا الأوزون. يعد الأوزون مصدرًا أقوى للأكسجين، لذا يمكنه استبدال الأكسجين الذي يتم سحبه أثناء خطوة TMA. التي تغلق مسارات التسرب. ثم تصرف أكسيد الألومنيوم كحاجز حقيقي، حتى عندما كان أرق من النانومتر. ومع إصلاح الأوزون، عملت النانولامينات كعازل حقيقي.

الفكرة بسيطة: عندما يتعلق الأمر ببضع طبقات ذرية، يمكن أن تكون الكيمياء مهمة بقدر أهمية السُمك. يمكن لأنواع المركبات الكيميائية التي تستخدمها أن تقرر ما إذا كانت تلك الطبقات المبكرة ستصبح حاجزًا حقيقيًا أو تترك وراءها مسارات تسرب.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: ماهيش نيبال، جامعة بينجهامتون، جامعة ولاية نيويورك

اقرأ المزيد:

لا يعمل ماهيش نيبال لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.