يعد السيليكون أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض، وفي شكلها النقي أصبحت هذه المادة أساس الكثير من التقنيات الحديثة، بدءاً من الخلايا الشمسية وصولاً إلى رقائق الكمبيوتر. لكن خصائص السيليكون كأشباه موصلات بعيدة كل البعد عن المثالية.
تُعرف الموصلات بأنها المواد التي تسمح للكهرباء بالتدفق من خلالها بسهولة، كما تسمح بنقل الحرارة أيضاً. ومن الأمثلة على الموصلات المعادن، وجسم الإنسان الذي يعتبر موصلاً قوياً، والأرض، وأجسام الحيوانات. ويعود سبب انتقال الكهرباء خلال الموصلات بحرية إلى أنّ الموصلات تحتوي على إلكترونات حرة على سطحها تسمح بمرور التيار بسهولة.
في المقابل تُعرف أشباه الموصلات بأنها مواد صلبة يمكن التحكم في توصيلها الكهربائي على نطاق واسع، إما بشكل دائم أو ديناميكي، وبطبيعة الحال فإنه يتم تعديلها في الغالب عن طريق إضافة شوائب عبر عملية تعرف باسم التطعيم، لتعديل خصائصها مثل تدفق التيار أحادي الاتجاه، أو التضخيم، أو تحويل الطاقة وغيرها. ومن الجدير بالذكر أن أشباه الموصلات تعتبر مهمة للغاية من الناحية التكنولوجية والاقتصادية، وتعتبر موادّ أساسية في جميع الأجهزة الكهربائية الحديثة. ويعد السيليكون من أهم أشباه الموصلات من الناحية التجارية، على الرغم من أهمية العشرات أيضاً من الأنواع الأخرى.
ورغم أن السيليكون يسمح للإلكترونات بالمرور عبر بنيته بسهولة، إلا أنه أقل ملاءمة "للثقوب" - نظائر الإلكترونات الموجبة الشحنة - وتسخير كليهما مهم لبعض أنواع الرقائق. علاوة على ذلك، فإن السيليكون ليس جيداً جداً في توصيل الحرارة، وهذا هو السبب في أن البحث عن حلول لمشكلات ارتفاع درجة الحرارة وأنظمة التبريد تكون باهظة الثمن في أجهزة الكمبيوتر.
أجرى فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هيوستن ومؤسسات أخرى تجارب تظهر أن مادة تُعرف باسم زرنيخ البورون المكعب تتغلب على كل من هذه القيود. إذ يوفر البورون تنقلاً عالياً لكل من الإلكترونات والثقوب، ولديه موصلية حرارية ممتازة. يقول الباحثون إنه أفضل مادة شبه موصلة تم العثور عليها على الإطلاق، وربما أفضل مادة ممكنة.
حتى الآن، تم تصنيع واختبار زرنيخ البورون المكعب فقط على دفعات صغيرة على نطاق معملي غير موحدة. كان على الباحثين استخدام طرق خاصة طورها في الأصل باحث ما بعد الدكتوراه السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا باي سونغ لاختبار مناطق صغيرة داخل المادة. ستكون هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحديد ما إذا كان يمكن صنع زرنيخ البورون المكعب في شكل عملي واقتصادي، ناهيك عن استبدال السيليكون في كل مكان. ويقول الباحثون إنه حتى في المستقبل القريب، يمكن للمادة أن تجد بعض الاستخدامات حيث يمكن لخصائصها الفريدة أن تحدث فرقاً كبيراً.
تم نشر النتائج في مجلة Science"" ، في ورقة بحثية أعدها جانغوو تشين طالب ما بعد الدكتوراه وأستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بمساعدة زيفينج رن من جامعة هيوستن. و 14 باحثاً آخر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هيوستن وجامعة تكساس في أوستن وكلية بوسطن.
في بحث سابق، أعده ديفيد برويدو، وهو مؤلف مشارك في الورقة الجديدة، كان قد تنبأ نظرياً بأن المادة سيكون لها موصلية حرارية عالية، أثبت العمل اللاحق أن التنبؤ كان في محله. يكمل هذا العمل الأخير التحليل من خلال التأكيد التجريبي للتنبؤ الذي أعدته مجموعة تشين في عام 2018: أن زرنيخ البورون المكعب سيكون له أيضاً قدرة عالية جداً على الحركة لكل من الإلكترونات والثقوب، "مما يجعل هذه المادة فريدة حقاً" كما يقول تشين.
أظهرت التجارب السابقة أن الموصلية الحرارية لزرنيخ البورون المكعب أكبر بعشر مرات من الموصلية الحرارية للسيليكون. يقول تشين: هذا أمر جذاب للغاية لمجرد تبديد الحرارة. أظهروا أيضاً أن المادة لها فجوة نطاق جيدة جداً، وهي خاصية تمنحها إمكانات كبيرة كمواد شبه موصلة.
الآن، يملأ العمل الجديد الصورة، موضحاً أنه مع قابلية سماحه العالية لانتقال كل من الإلكترونات والثقوب، يتمتع زرنيخ البورون بجميع الصفات الرئيسية اللازمة لأشباه الموصلات المثالية. يقول تشين: هذا مهم لأنه بالطبع في أشباه الموصلات لدينا شحنات موجبة وسالبة على حد سواء. لذلك إذا قمت ببناء جهاز فأنت تريد الحصول على مادة حيث تنتقل الإلكترونات والثقوب بمقاومة أقل.
يتمتع السيليكون بإمكانية مرور جيدة للإلكترون، ولكنه يتمتع بحركة ضعيفة للثقوب، كما أن المواد الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم ، المستخدم على نطاق واسع في الليزر، تتمتع أيضاً بحركية جيدة للإلكترونات ولكن ليس للثقوب.
يقول تشين للصحيفة: تعتبر الحرارة الآن عنق الزجاجة الرئيسي للعديد من الإلكترونيات. يحل كربيد السيليكون محل السيليكون لإلكترونيات الطاقة في صناعات السيارات الكهربائية الرئيسية بما في ذلك تسلا، نظراً لأنه يتمتع بموصلية حرارية أعلى بثلاث مرات من السيليكون على الرغم من قابليته المنخفضة للنقل الكهربائي. تخيل ما يمكن أن يحققه زرنيخيدات البورون، مع موصلية حرارية أعلى بمقدار 10 مرات وحركة أعلى بكثير من السيليكون. يمكن أن يغير قواعد اللعبة.
يضيف تشين: إن المعلم الأساسي الذي جعل هذا الاكتشاف ممكناً هو التقدم في أنظمة شبكات الليزر فائقة السرعة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، التي طورها سونج في البداية. بدون هذه التقنية، لم يكن من الممكن إثبات الحركة العالية للمادة للإلكترونات والثقوب معاً.
تم التنبؤ في البداية بالخصائص الإلكترونية لزرنيخيد البورون المكعب بناءً على حسابات دالة الكثافة الميكانيكية الكمية التي أجرتها مجموعة تشين، كما يقول، وقد تم التحقق من صحة هذه التنبؤات الآن من خلال التجارب التي أجريت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، باستخدام طرق الكشف البصري على العينات التي صنعها رين وأعضاء الفريق في جامعة هيوستن.
يقول الباحثون إن الموصلية الحرارية للمادة ليست هي الأفضل من أي شبه موصل فحسب، بل إنها تمتلك ثالث أفضل موصلية حرارية لأي مادة - بجانب الماس ومكعب نيتريد البورون المخصب نظرياً. يقول تشين: والآن توقعنا السلوك الميكانيكي الكمي للإلكترون والثقب، أيضاً من المبادئ الأولى، وقد ثبتت صحة ذلك أيضاً. هذا مثير للإعجاب، لأنني في الواقع لا أعرف أي مادة أخرى، بخلاف الجرافين، لها كل هذه الخصائص، كما يقول. وهذه مادة سائبة لها هذه الخصائص.
يقول إن التحدي الآن هو اكتشاف طرق عملية لصنع هذه المادة بكميات قابلة للاستخدام. الأساليب الحالية لجعلها تنتج مادة بشكل اقتصادي غير منتظمة إلى حد كبير، لذلك كان على الفريق أن يجد طرقاً لاختبار رقع محلية صغيرة من المادة كانت موحدة بدرجة كافية لتوفير بيانات موثوقة. في حين أنهم أظهروا الإمكانات الهائلة لهذه المواد، "ما إذا كانت ستُستخدم بالفعل أو أين ستُستخدم، لا نعرف" كما يقول تشين.
يضيف تشين: السيليكون هو العمود الفقري للصناعة بأكملها. الآن، لدينا مادة أفضل بالفعل، لكن هل ستحل محل السيليكون في الصناعة حقاً؟ لا نعرف. ورغم أن هذه المادة تبدو شبه موصلة مثالية، لا نعلم ما إذا كان يمكنها بالفعل الدخول إلى جهاز موجود بالفعل واستبدال البعض في السوق الحالية، أعتقد أن هذا لم يتم إثباته بعد.
وعلى الرغم من أن الخصائص الحرارية والكهربائية أثبتت أنها ممتازة، إلا أن هناك العديد من الخصائص الأخرى للمادة التي لم يتم اختبارها بعد، مثل ثباتها على المدى الطويل، كما يقول تشين. لصنع أجهزة هناك العديد من العوامل الأخرى التي لا نعرفها حتى الآن.
ويضيف: من المحتمل أن يكون هذا مهماً للغاية والناس لم ينتبهوا حقاً إلى هذه المواد. الآن بعد أن أصبحت الخصائص المرغوبة لزرنيخ البورون أكثر وضوحاً، مما يشير إلى أن المادة من نواح كثيرة أفضل أشباه الموصلات، كما يقول، ربما يكون هناك المزيد من الاهتمام بهذه المادة.
بالنسبة إلى الاستخدامات التجارية، يقول رين، تتمثل إحدى التحديات الكبرى في كيفية إنتاج وتنقية أرسينيد البورون المكعب بفاعلية مثل السيليكون. استغرق السيليكون عقوداً للفوز بالتاج، مع درجة نقاء تزيد عن 99.9 % اليوم.
----