على مر العقود ، حاول العلماء تكريس الخصائص الفريدة للأنابيب النانوية الكربونية لصنع إلكترونيات عالية الأداء و تستهلك طاقة أقل ، مما يؤدي إلى :
- عمر أطول للبطارية.
- سرعة في الاتصالات اللاسلكية.
- سرعة في معالجات الأجهزة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.
لكن بعض التحديات أعاقت تطوير ترانزستورات مصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية والتي تعد أسطوانات صغيرة مصنوعة من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط.
مما أدى إلى تراجع كبير في أداءها عن أشباه الموصلات مثل : السيليكون وزرنيخيد الغاليوم المستخدم في رقائق الكمبيوتر والإلكترونيات.
أما الآن ، وللمرة الأولى ، يُسجل مهندسو جامعة ويسكونسن ماديسون ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية التي تتفوق في أدائها على ترانزستورات السيليكون.
فقد صمم عدد من أساتذة العلوم وهندسة المواد بقيادة مايكل أرنولد ، وبادما جوبالان ترانزستورات أنابيب نانوية كربونية حققت تياراً أعلى بـ 9.1 مرة من ترانزستورات السيليكون
وذلك بحسب ما قدمه الباحثون في تقرير لمجلة Science Advances.
حيث صرح أرنولد: “إن تسجيل هذا الإنجاز يعد حلم لتكنولوجيا النانو خلال السنوات العشرين الماضية ، فصناعة ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية أفضل من ترانزستورات السيليكون.
وأضاف أن هذا الإنجاز في أداء ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية يُعد تقدماً حاسماً نحو استثمار الأنابيب النانوية الكربونية في علوم الاتصالات وغيرها من تكنولوجيا الإلكترونيات.
ما أهمية ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية ؟
من المهم جداً معرفة أبعاد هذا التقدم ، فهو يمهد الطريق أمام ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية لتحل مكان ترانزستورات السيليكون والاستمرار في عملية رفع الأداء التي تعتمد عليها صناعة الإلكترونيات.
كما تستهدف هذه الترانزستورات تقنيات الاتصالات اللاسلكية التي تتطلب الكثير من التيار المتدفق عبر حيز صغير نسبياً.
فهي واحدة من أفضل الموصلات التي تم اكتشافها على الإطلاق ، فقد تم التعرف على الأنابيب النانوية الكربونية منذ فترة طويلة على أنها مادة واعدة لترانزستورات الجيل القادم.
كيف تمكن المهندسون من تطوير هذه الترانزستورات ؟
قام المهندسون في إنجازات تقدمات مدهشة فقاموا بعزل أنابيب نانوية كربونية نقية، وهذه خطوة حاسمة ومهمة للغاية لأن شوائب الأنابيب النانوية المعدنية تسلك مسلك الأسلاك النحاسية وتعطل خصائصها شبه الموصلة.
واستخدموا البوليمرات لفرز الأنابيب النانوية شبه الموصلة بشكل انتقائي ، وبذلك يكونوا قد أوجدوا حلاً للأنابيب النانوية الكربونية شبه الموصلة فائقة النقاء.
وتعقيباً على هذه الفكرة يقول أرنولد: “لقد وضعنا ظروفًا معينة يمكن من خلالها التخلص من جميع الأنابيب النانوية المعدنية تقريباً ، حيث يوجد لدينا أقل من 0.01% من الأنابيب النانوية المعدنية”.
والآن لننتقل للسؤال المهم ، كيف يمكن الحصول على ترانزستورات جيدة من هذه التقنية ؟
من الصعب التحكم بتموضع واصطفاف الأنابيب النانوية ولكي تصنع ترانزستور جيد فإننا نحتاج إلى محاذاة الأنابيب النانوية بالترتيب الصحيح مع مراعاة التباعد عند تجميعها على رقاقة.
ففي عام 2014 كسب باحثو جامعة ويسكونسن ماديسون هذا التحدي عندما أعلنوا عن تقنية تسمى “تجميع ذاتي تبخيري غير مستقر” ، يمنحهم التحكم بتموضع الترانزستورات.
من المهم معرفة وظيفة الأنابيب النانوية التي تكمن بإجراء اتصالات كهربائية جيدة مع الأقطاب المعدنية للترانزستور
لأن البوليمر الذي يستخدمه المهندسون لعزل الأنابيب النانوية شبه الموصلة يعمل أيضاً كطبقة عازلة بين الأنابيب النانوية والأقطاب الكهربائية
فقام المهندسون بـ “خبز” مصفوفات الأنابيب النانوية في فرن مفرغ لإزالة الطبقة العازلة، لتكون النتيجة هي الحصول على اتصالات كهربائية ممتازة للأنابيب النانوية.
وبعد ذلك طور الباحثون طريقة يمكنها أن تُزيل البقايا من الأنابيب النانوية بعد معالجتها في المحلول.
وبتعليق من أرنولد على هذا الإنجاز قال:
“لقد أثبتنا أنهُ يُمكننا التغلب على كل التحديات في الأنابيب النانوية وهذا ما سمح لنا بإنشاء الترانزستورات النانوية الكربونية الرائدة التي تفوق ترانزستورات السيليكون وزرنيخيد الغاليوم”.
ختاماَ
لا يزال المهندسون مستمرون في تهيئة الترانزستورات النانوية الكربونية لتلائم التطبيقات المستخدمة في ترانزستورات السيليكون لتصبح أصغرمع كل جيل جديد منها.
كما أنهم يقومون بالعمل على تطوير مضخمات للترددات الراديوية عالية الأداء لتكون قادرة على تعزيز الإشارت.
كما قاموا أيضاً بزيادة حجم عمليات المحاذاة والترسبات للترانزستورات النانوية مما سيساعد على تسريع العمليات لزيادة الإنتاج التجاري.
وأخيراً يجب التنويه بأن المهندسون سجلوا براءة اختراع للترانزستور النانوي الكربوني من خلال مؤسسة أبحاث الخريجين في ويسكونسن.
- إعداد: المهندسة يارا الخيمي
- تحرير: المهندس بشار الحجي