محقق ایرانی در راه کشف ‌جایگزینی برای سیلیکون

دکتر رضا عسگری، رئیس پژوهشکده فیزیک پژوهشگاه دانش‌های بنیادی ، دانشمند ایرانی بر جسته ای است که همکاری ارزشمندی در این طرح پژوهشی بسیار مهم ایفا کرده است، پژوهشی که نتیجه آن در مجله معتبر ساینس منتشر شده است و می تواند باعث دگر گونی جدی در آینده ابزارهای ارتباطی و الکترونیکی شود.

تحولات اخیر دنیای مدرن، مدیون «نیمه‌رسانا»‌هاست که سیلیکون بازیگر اصلی این گروه به شمار می‌رود. اما این سیلیکون چیست ؟پیشرفت بشری و توسعه صنعتی همواره بر پایه شناخت و کنترل مواد بوده است. از دوره‌های قبل از تاریخ، بشر همواره اطراف خود را جستجو می‌کرده است تا بتواند به طور مستقیم یا غیرمستقیم از مواد اطراف استفاده مفید کند و زندگی راحت‌تر و پیشرفته‌تری داشته باشد. به طوری که در قرن بیستم پیشرفت در علم مواد بسیار چشمگیر و مهم نمود پیدا کرد. چنین جهشی اثر بسیار موثری هم در زندگی روزمره انسان‌ها گذاشت و تصور این‌که زندگی و دنیا بدون هواپیما، کامپیوتر و اینترنت چگونه بوده، بسیار سخت و دشوار است.

در نیمه دوم قرن بیستم عنصر سیلیکون پا به عرصه علم مواد گذاشت که تحولات اخیر دنیای مدرن، مدیون «نیمه‌رسانا»‌هاست که سیلیکون بازیگر اصلی این گروه به شمار می‌رود .نیمه‌رسانا یا نیمه هادی ماده‌ای است که در حالت عادی و در دمای بسیار کم، عایق بوده ولی با افزودن مقداری ناخالصی و یا در دمای محدود قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می‌کند.در دنیای مدرن امروز، کامپیوترهای فوق سریع و ارتباطات حاصل از آنها، قلب اجتماع ما را تشکیل می‌دهند که به سرعت در کل جهان گسترش یافته‌اند. علی‌رغم تحول عظیم این دستگاه‌ها در عصر سیلیکون و بر پایه نیمه‌رساناهای سیلیکون، استفاده از آن هم‌اکنون در حال افول است. چراکه سیلیکونی که اساس تمام قطعات الکترونیکی و چیپهای الکترونیکی را تشکیل می‌دهد، در ابعاد کوچکتر از 10 نانومتر (یک نانو متر معادل یک میلیاردم متر است) به علت افت و خیزهای حرارتی قابل استفاده نیست و ساختار بلوری آن به حالت آمورف یعنی ساختاری بدون نظم بلند برد تبدیل می‌شود.

بنابراین به نظر می‌رسد که زیرساختارهای بر پایه کربن مانند نوارهای گرافینی دارای نقاط قوت بسیار زیادی از نظر علم و تکنولوژی جهت جایگزینی بسیاری از ابزارها از جمله ترانزیستورهای نیمه رسانا باشند. البته دلایل زیادی هم برای چنین نتیجه‌گیری وجود دارد.

اولا از نظر دورنمای تاریخی، کربن عنصر بعدی برای میکروالکترونیک محسوب می‌شود. اولین ترانزیستور در دهه 1950 در آزمایشگاه بل بر پایه بکارگیری ژرمانیوم (عنصری که در جدول مندلیف در زیر عنصر سیلیکون قرار دارد) ساخته شد و بعد از مدتی کوتاه برای ساخت ترانزیستور‌ها از سیلیکون با درجه خلوص بالا استفاده کردند. علت جایگزینی سیلیکون به جای ژرمانیوم این بود که بعد از فرآیند تولید، سیلیکون بسیار خالص‌تر از ژرمانیوم به دست می‌آمد که می‌توانست افت انرژی کمتری نسبت به ژرمانیوم داشته باشد. از طرفی هزینه آن برای قطعات الکترونیکی نیز بسیار کمتر از ژرمانیوم بود. با یک نگاه سریع به ستون چهارم جدول مندلیف تحول مواد از حرکت پایین به بالا بوده است و حال نوبت اتم کربن است که می‌بایست تحول بزرگی ایجاد کند. یکی دیگر از ویژگی شیمیایی مهم اتم کربن تنوع ترکیبات آن است که شدیدا به ابعاد موثر سیستم مورد نظر وابسته است.

این مقاله نتیجه همکاری یک گروه نظری شامل من، دکتر پولیینی از ایتالیا و پروفسور آلن مک دونالد از آمریکاست که بخش زیادی از محاسبات آن با یک گروه تجربی به سرپرستی پروفسور روتن برگ از دانشگاه برکلی آمریکا در ایران انجام گرفت.

در کار تحقیقات اخیر این محققان که در جلد 328 ، مجله ساینس به چاپ رسیده است، با اندازه‌گیری چندین کمیت مهم فیزیکی که رفتار حامل‌های برانگیخته بار در گرافین را نشان می‌دهند و محاسبه نظری آنها با در نظر گرفتن این‌که الکترون‌ها ذرات کوانتومی هستند که برهم‌کنش‌های 2 به2 و بلندبرد بین خود و اتم‌های متحرک شبکه گرافین دارند، نشان دادند که طیف خطی متصور برای توصیف کامل حامل‌های برانگیخته بار کافی نیست. وجود شبه ذرات جدید پلاسمارون که ذرات باردار مقید شده به فرکانس دسته جمعی نوسانی الکترون‌ها هستند و از محاسبات نظری آنها پیش‌بینی شده بود به طور تجربی تاکید شد. محاسبات نظری آنها در تطابق بسیار خوبی با نتایج به دست آمده در آزمایشگاه است. البته برانگیختگی‌های جمعی، یکی از نشانه‌های مهم دستگاه چند ذره‌ای است. این رفتار به وجود بر همکنش ذره ـ ذره و غیر جای گزیده بودن برانگیختگی‌ها در داخل سیستم مرتبط است.یکی از مشکلات تجربی وجود احتمالی گاف انرژی در اثر برهم کنش الکترون‌ها در گرافین با اتم‌های ناهمگون زیر لایه بود که در این مورد بنده به همراه یکی از دانشجویان دکتری خود، به نام قیوم‌زاده که بزودی از رساله دکتری خود دفاع خواهد کرد، به طور جداگانه‌ای توانستیم رفتار این لایه ها و این مسائل را توضیح دهیم . در طراحی آزمایشی که از حدود یک و نیم سال پیش در دانشگاه برکلی آمریکا آغاز شد، تلاش کردیم صفحه گرافین تا حد امکان از زیر لایه خود جدا باشد. گروه تجربی با ایده بسیار جالبی توانستند گرافین تقریبا معلق بسازند که قابلیت اندازه‌گیری تابع طیفی را داشته باشد.

گرافین لایه‌ای دو بعدی از گرافیت به ضخامت یک اتم است که اتم‌های کربن روی شبکه‌ای لانه زنبوری‌شکل (شش ضلعی منتظم) قرار گرفته‌اند. (ضخامت پوسته در حدود یک میلیون بار کوچکتر از یک برگ کاغذ است) چنین لایه دو بعدی نه‌تنها پیوسته است بلکه یک کریستال با کیفیت بالاست به طوری که حامل‌های بار می‌توانند بدون پراکندگی مسافت حدود هزار برابر فاصله بین اتمی را بپیمایند. به عبارتی برخی از پارامترهای این ماده ‌ بسیار بالاتر از بهترین فلز شناخته شده است و هدایت الکتریکی آن هزار برابر بزرگتر از بهترین فلز است. علاوه بر این هدایت گرمایی آن نیز بسیار بالاتر از مس است.

‌چنین ساختار کریستالی دوبعدی با حذف ملایم بعد سوم به دست آمده و شدیدا پایدار است. پس از ساخته شدن گرافین در آزمایشگاه در اواخر سال 2004 به علت رفتار شگفت‌آور و غیرمعمول این سیستم دوبعدی و کاربردهای عملی بالقوه این ماده، تحقیقات گسترده‌ای بر روی این ماده جدید صورت گرفت.

البته پتانسیل بهره‌برداری از گرافین در زمینه‌های مختلف قابل پیش‌بینی است. کاربرد گرافین در صنعت الکترونیک می‌تواند انقلاب الکترونیکی به راه بیندازد. با استفاده ازگرافین می‌توان به ترانزیستورهای سریع‌تر و کوچک‌تر با مصرف انرژی کمتر و پراکندگی حرارتی بیشتر نسبت به ترانزیستور سیلیکونی دست یافت. کاربردهای دیگر گرافین شامل ساخت آشکارسازهای شیمیایی و فیلم‌های شفاف رسانا برای استفاده در سلول‌های خورشیدی است. توانایى آشکارسازهای شیمیایی در شناسایی تک‌مولکول‌ها به دلیل حساسیت فوق‌العاده آنهاست. از این‌رو گرافین کاندیدای بسیار مناسبی برای ساخت ابرخازن‌ها تشخیص داده شده است.

همچنین گرافین نویددهنده ایجاد سیگنال‌هایی با بسامد «ترا هرتز» است که خواص جالب نوری آن در خور توجه است.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که اولا تصور قبلی ما از گرافین کامل نبود و حال شناخت درست‌تری از ماهیت اصلی الکترون‌ها در گرافین داریم و دوم این‌که دریچه جدیدی از کاربرد‌های بیشتر گرافین به روی دانشمندان گشوده شد. به طور مثال گرافین با چنین خصوصیات جدید را می‌توان در صنعت فوتونیک برای ساخت لیزرهای با فرکانس تراهرتز به کار گرفت. در حقیقت با ‌این فناوری می توان ادوات بسیار ریزی ساخت که از ویژگی‌های الکترونی و فوتونی به طور همزمان پیروی می‌کند و بدون شک این مهم، تحول عظیمی در صنعت، ارتباطات راه دور، کامپیوترهای نسل آینده که بر‌مبنای محاسبات کوانتومی کار می‌کنند و صنعت الکترونیک ـ فوتونیک خواهد داشت.

به عبارتی از چنین ذرات مرکبی می‌توان برای تولید فرکانس 100 تریلیون دور در ثانیه استفاده کرد. دقت کنید که کامپیوترهای فعلی قابلیت پردازش چند میلیارد عملیات در ثانیه است.

گرافین کاندیدای بسیار خوبی برای همبستگی بین صنعت فوتونیک و الکترونیک معرفی شده است.