فريق البحث يتغلب على التحديات المتعلقة بالمواد، مما يوفر مسارًا جديدًا لـLEDs عالية الكفاءة

احتل السيليكون منذ فترة طويلة مكانة مهيمنة في سباق مواد أشباه الموصلات، لكن "العيوب الخلقية" له في مجال الإلكترونيات الضوئية قيدت أيضًا مساحة نموه. مؤخرًا، طور الباحثون مادة شبه موصلة جديدة مكونة من مزيج من الجرمانيوم والقصدير، والتي تتميز بكفاءة امتصاص وإصدار ضوء أفضل من أشباه الموصلات السيليكونية، وقد تصبح الجيل الجديد من أشباه الموصلات عالية الأداء.

يُعدّ السيليكون حجر الزاوية في صناعة الإلكترونيات الحديثة؛ حيث تُصنع رقائق معظم المنتجات الإلكترونية مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة بشكل أساسي من السيليكون، ولا يزال من الصعب استبدالها بمواد أخرى.

على الرغم من أن السيليكون يتمتع بمزايا مثل النضج التكنولوجي والتكلفة المنخفضة، فإن خاصية "الفجوة الطاقية غير المباشرة" تؤدي إلى فعالية ضوئية أقل بكثير من المواد ذات الفجوة الطاقية المباشرة (مثل زرنيخيد الغاليوم GaAs). وبالتالي، لا يمكن استخدامه مباشرة كمصدر ضوء فعال لليزر أو مصابيح LED، ويواجه صعوبة في تحقيق مساهمات كبيرة في مجال الإلكترونيات الضوئية.

لتحقيق الاتصالات الضوئية على الرقائق (أسرع وأكثر توفيراً للطاقة مقارنة بالنقل الإلكتروني)، يحتاج المهندسون عادةً إلى دمج مواد المجموعة الثالثة والخامسة باهظة الثمن (مثل زرنيخيد الغاليوم) بشكل غير متجانس، وهي عملية معقدة ومكلفة. لذلك، يكرس العلماء جهودهم منذ فترة طويلة لتطوير بدائل باستخدام مواد المجموعة الرابعة، والتي يُعتبر فيها سبائك الجرمانيوم-القصدير (GeSn) "الكأس المقدسة" في مجال أشباه الموصلات.

على عكس المواد من المجموعة الثالثة والخامسة، ينتمي كل من الجرمانيوم والقصدير إلى عناصر المجموعة الرابعة. يمكن أن يؤدي إدخال نسبة محددة من القصدير في شبكات الجرمانيوم البلورية إلى تغيير بنية النطاقات، مما يحوله إلى مادة ذات "فجوة نطاق مباشرة"، وبالتالي تحقيق حركة أعلى لحاملات الشحنة؛ وفي الوقت نفسه، تتوافق عناصر المجموعة الرابعة بشكل كبير مع عمليات الدوائر المتكاملة القائمة المصنوعة من السيليكون، مما يجعلها محور اهتمام في تطبيقات الإلكترونيات الضوئية.

تاريخياً، كان التحدي الرئيسي في سبائك الجرمانيوم-القصدير هو صعوبة تفاعل هذين العنصرين كيميائياً تحت الظروف العادية. لم يتمكّن فريق من جامعة إدنبرة مؤخرًا فقط من تحضير سبيكة جرمانيوم-قصدير مستقرة بنجاح عن طريق تسخين خليط من الجرمانيوم والقصدير إلى 1200 درجة مئوية وتطبيق ضغوط تصل إلى 10 جيجا باسكال، مما سمح لها بالبقاء مستقرة عند درجة حرارة وضغط الغرفة.

سواءً للأجهزة الإلكترونية من الجيل الجديد أو لمراكز البيانات ذات الطلب المتزايد باستمرار على الطاقة، فإن المستقبل يعتمد على النقل الضوئي لتحسين كفاءة الطاقة؛ ومن المتوقع أن تتيح المواد الجديدة تشغيل الأجهزة بسرعة أكبر واستهلاك طاقة أقل.

نُشرت الأوراق البحثية ذات الصلة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية (الجمعية الكيميائية الأمريكية، ACS).

المصدر: تيك نيوز