عندما تقوم بالشراء من خلال الروابط الموجودة في مقالاتنا، قد تحصل شركة Future وشركاؤها المشتركون على عمولة.
إيلاد هاريل من جامعة ولاية ميشيغان مع معدات الليزر المستخدمة في “رسم” البلورات. | الائتمان: بول هندرسون، فين جوميز / كلية العلوم الطبيعية.
البلورات المستخدمة في تطبيقات متنوعة، مثل أشعة الليزر، ومصابيح LED، وأشباه الموصلات المستخدمة في أجهزة الاستشعار الموجودة في الأدوات الفلكية، يمكن أن يتم “سحبها” يومًا ما بدلاً من “تنميتها”، مما يؤدي إلى أداء أعلى وتكاليف أقل.
استخدم فريق بقيادة إيلاد هاريل من جامعة ولاية ميشيغان الليزر لتسخين جسيمات الذهب النانوية، والتي تؤدي بعد ذلك إلى تكوين بلورات داخل محلول بيروفسكايت هاليد الرصاص. ومن خلال تحريك جسيمات الذهب النانوية، مرة أخرى باستخدام الليزر، فمن الممكن، نظريًا، “رسم” البلورات بدقة حيث يجب أن تكون بالضبط في جهاز إلكتروني.
يتم تصنيع البلورات المستخدمة في الإلكترونيات تقليديًا من خلال مجموعة متنوعة من التقنيات، مثل انتشار البخار، حيث تترسب البلورة من المحلول، أو من خلال زرع “بذرة” بلورية ثم مشاهدتها وهي تنمو. ومع ذلك، فإن مثل هذه الطرق غير دقيقة، مما يؤدي إلى تشكل البلورات بشكل عشوائي إلى حد ما، وليس دائمًا في الموقع الصحيح أو بالشكل أو الحجم الصحيح.
وقال هاريل لموقع Space.com: “في الجهاز، قد يحتاج المرء إلى كمية صغيرة جدًا من المواد البلورية الموضوعة في مواقع محددة للغاية”.
إن تقنية هاريل الجديدة، التي تستخدم ظاهرة تُعرف باسم “التسخين البلازموني”، قادرة على استعادة بعض السيطرة على تكوين البلورات. وفي التجارب المعملية، أطلق فريق هاريل ليزرًا بقوة 660 نانومتر الطول الموجي عند جسيم نانوي من الذهب في غرفة تفاعل مملوءة بمحلول سلائف البيروفسكايت هاليد الرصاص فوق ركيزة زجاجية من البورسليكات، والتي سيتم “سحب” البلورة عليها.
جسيمات الذهب النانوية صغيرة الحجم، حيث يبلغ عرضها أقل من واحد في الألف من عرض شعرة الإنسان. ولذلك يجب أن يكون الإجراء بأكمله دقيقًا للغاية، ويمكن مشاهدته في الوقت الفعلي باستخدام مجاهر عالية السرعة بمعدلات إطارية لمقاييس زمنية أقل من المللي ثانية.
وقال هاريل: “السبب وراء استخدامنا لجزيئات الذهب النانوية هو أنها تعمل كسخانات صغيرة”. “عندما يقوم الليزر بإشعاع الجسيم بالتردد الصحيح، فإنه يسبب الإلكترونات في الذهب ليتأرجح، مما يولد الحرارة.”
هذا هو التسخين البلازموني وهو يؤدي إلى تبلور المحلول الأولي في المواقع المحددة التي يريدها فريق هاريل.
تظهر بلورات البيروفسكايت هاليد الرصاص أداءً عاليًا في الخلايا الشمسية ومصابيح LED، ولكنها ليست النوع الوحيد من البلورات المستخدمة في الإلكترونيات. على سبيل المثال، أشباه الموصلات في أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) الموجودة على تلسكوب جيمس ويب الفضائي دمج بلورات السيليكون المشبعة بالزرنيخ. ويأمل هاريل أن يتم تطبيق تقنية التسخين البلازموني هذه على بلورات أخرى من هذا القبيل، ولكنها تعمل مع بيروفسكايت هاليد الرصاص على وجه التحديد لأنها تحتوي على بعض الخصائص غير العادية إلى حد ما.
وقال: “الأمر المميز في هذه البيروفسكايت هو أنه مع زيادة درجة الحرارة، تنخفض قابلية الذوبان، مما يؤدي إلى التبلور”. “معظم المواد لا تظهر خاصية الذوبان التراجعية هذه؛ وعادة مع زيادة درجة الحرارة، تزداد القابلية للذوبان.”
تم التقاط ضربة ليزر على جسيمات ذهبية متناهية الصغر مما يؤدي إلى التبلور في هذه اللقطات المجهرية عالية السرعة. | الائتمان: هاريل لاب جامعة ولاية ميشيغان
ومع ذلك، قد تكون هناك طريقة للتغلب على هذه المشكلة تكمن في الإلكترونات المثارة والمهتزة. بالإضافة إلى إنتاج الحرارة، يمكن للإلكترونات أيضًا من حيث المبدأ أن تشارك بشكل مباشر في كيمياء تكوين البلورات، وفقًا لهاريل، مما يشجع تكوين البلورات.
وقال: “نحن بحاجة إلى بذل المزيد من العمل لتعميم هذا المفهوم على مواد أخرى، لكننا نعتقد أنه سينجح”.
إن مزايا تكوين البلورات الأرخص والأسرع والأكثر دقة واضحة للعيان. تُستخدم البلورات في كل مكان، بدءًا من شاشات اللمس وأجهزة إنذار الدخان والألواح الشمسية وأجهزة التصوير الطبي ومعظم الإلكترونيات الضوئية وأجهزة الكشف الضوئي بشكل عام.
وقال هاريل: “هذه طريقة بسيطة للغاية تستخدم أشعة ليزر منخفضة التكلفة”. “كما أنه يوفر بشكل كبير تكلفة التصنيع حيث يمكن وضع البلورة في المكان والزمان المحددين عند الحاجة إليها.”
ونظرًا لأهمية البلورات في الاستشعار الفلكي، فإن تقنية رسمها يمكن أن تؤدي إلى إطلاق أدوات منخفضة التكلفة في مهمات فضائية في المستقبل.
والخطوة التالية هي استخدام أشعة ليزر متعددة عبر مجموعة متنوعة من الأطوال الموجية لمحاولة “رسم” أنماط أكثر تعقيدًا من البلورات، ثم البدء في اختبارها في أجهزة حقيقية لمعرفة ما إذا كانت تقدم بالفعل مستوى أفضل من الأداء بتكلفة أقل. وقال هاريل: “هذا شيء نعمل عليه الآن”.
تم نشر هذه التقنية الجديدة لرسم البلورات في المجلة ايه سي اس نانو.