גבישים דקים במיוחד פותחים אפשרויות חדשות בתחום האלקטרוניקה והמחשוב הקוונטי

חוקרים ב-UC Irvine פיתחו חומר ביסמוט דק במיוחד המיועד לשימוש בטכנולוגיות גמישות.

במחקר שפורסם ב חומרי טבעמדענים מאוניברסיטת קליפורניה, אירווין מתארים שיטה חדשה לייצור גבישים דקים מאוד של היסוד ביסמוט – תהליך שעשוי לסייע בייצור של אלקטרוניקה גמישה זולה למציאות יומיומית.

"ביסמוט ריתק מדענים במשך יותר ממאה שנים בשל נקודת ההיתוך הנמוכה שלו והתכונות האלקטרוניות הייחודיות שלו", אמר חוויאר סאנצ'ז-ימאגישי, עוזר פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה ב-UC Irvine ושותף למחקר. "פיתחנו שיטה חדשה ליצור גבישים דקים מאוד של חומרים כמו ביסמוט, ובתוך כך לחשוף התנהגויות אלקטרוניות נסתרות של משטחי המתכת".

יריעות הביסמוט שהצוות הכין הן בעובי של כמה ננומטרים בלבד. סאנצ'ז-ימאגישי הסביר כיצד תיאורטיקנים חזו כי ביסמוט מכיל מצבים אלקטרוניים מיוחדים המאפשרים לו להפוך למגנטי כאשר חשמל זורם דרכו – דבר חיוני עבור מכשירים אלקטרוניים קוונטיים המבוססים על ספין מגנטי של אלקטרונים.

אחת ההתנהגויות הנסתרות שנצפו על ידי הצוות היא מה שנקרא תנודות קוונטיות שמקורן במשטחי הגבישים. "תנודות קוונטיות נובעות מתנועתו של אלקטרון בשדה מגנטי", אמרה לאיסי צ'ן, Ph.D. מועמד לפיזיקה ואסטרונומיה ב-UC Irvine ואחד הכותבים הראשיים של המאמר. "אם האלקטרון יכול להשלים מסלול מלא סביב שדה מגנטי, הוא יכול להפגין השפעות חשובות לביצועים של אלקטרוניקה. תנודות קוונטיות התגלו לראשונה בביסמוט בשנות ה-30, אך מעולם לא נראו בגבישי ביסמוט דקים בננומטר".

טכניקות ייצור חדשניות

איימי וו, Ph.D. מועמד לפיזיקה במעבדה של סאנצ'ז-ימאגישי, השווה את השיטה החדשה של הצוות למכבש טורטיות. כדי להכין את יריעות הביסמוט הדקות במיוחד, הסביר וו, היה עליהם למחוץ ביסמוט בין שתי צלחות חמות. כדי להפוך את הסדינים לשטוחים ככל שיהיו, הם היו צריכים להשתמש בפלטות דפוס שהן חלקות לחלוטין ברמה האטומית, כלומר אין חלוקות מיקרוסקופיות או פגמים אחרים על פני השטח. "לאחר מכן הכנו סוג של קוסאדילה או פאניני שבו הביסמוט הוא המילוי הגבנתי והטורטיות הן המשטחים השטוחים מבחינה אטומית", אמר וו.

"היה הרגע העצבני הזה שבו בילינו יותר משנה בהכנת הגבישים הדקים והיפים האלה, אבל לא היה לנו מושג אם התכונות החשמליות שלו יהיו משהו יוצא דופן", אמר סנצ'ז-ימאגישי. "אבל כשקררנו את המכשיר במעבדה שלנו, נדהמנו לראות תנודות קוונטיות, שלא נראו בעבר בסרטי ביסמוט דקים."

"דחיסה היא טכניקת ייצור נפוצה מאוד המשמשת לייצור חומרים ביתיים נפוצים כגון רדיד אלומיניום, אך אינה משמשת בדרך כלל לייצור חומרים אלקטרוניים כמו אלה שבמחשבים שלך", הוסיפה סנצ'ז-ימאגישי. "אנו מאמינים שהשיטה שלנו תכליל לחומרים אחרים, כמו בדיל, סלניום, טלוריום וסגסוגות קשורות עם נקודות התכה נמוכות, וזה יכול להיות מעניין לחקור לגבי מעגלים אלקטרוניים גמישים עתידיים."

בשלב הבא, הצוות רוצה לחקור דרכים אחרות שבהן ניתן להשתמש בשיטות דחיסה והזרקה לייצור שבבי המחשב הבאים לטלפונים או טאבלטים.

"חברי הצוות החדשים שלנו מביאים רעיונות מרגשים לפרויקט הזה, ואנחנו עובדים על טכניקות חדשות כדי להשיג שליטה נוספת על הצורה והעובי של גבישי הביסמוט הגדלים," אמר צ'ן. "זה יפשט את האופן שבו אנחנו מייצרים מכשירים, וייקח את זה צעד אחד קדימה לייצור המוני."

צוות המחקר כלל משתפי פעולה מ-UC Irvine, המעבדה הלאומית של לוס אלמוס והמכון הלאומי למדעי החומרים ביפן. המחקר מומן בעיקר על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי, עם תמיכה חלקית שהגיעה מ-UC Irvine Center for Complex and Active Materials Seed Program, מרכז למדע והנדסה לחקר חומרים תחת הקרן הלאומית למדע.