ייצוג סכמטי המראה כיצד שכבת גרפן מגינה מפני מים. הזרם החשמלי הזורם לאורך קצה המבודד הטופולוגי indenene נותר בלתי מושפע לחלוטין מהשפעות חיצוניות. קרדיט: Jörg Bandmann, pixelwg
חוקרים פיתחו ציפוי מגן פורץ דרך לאנדן, חומר קוונטי המבטיח לאלקטרוניקה מהירה במיוחד, המאפשר שימוש בו באוויר ללא חמצון. חידוש זה עשוי לחולל מהפכה בעתיד של האלקטרוניקה השכבה האטומית.
המירוץ ליצירת שבבי מחשב מהירים וחזקים יותר ממשיך כשהטרנזיסטורים, המרכיבים הבסיסיים שלהם, מתכווצים לגדלים קטנים וקומפקטיים יותר. בעוד כמה שנים, הטרנזיסטורים הללו ימדודו רק כמה אטומים לרוחב – עד אז, המיניאטור של טכנולוגיית הסיליקון המשמשת כיום יגיע לגבולות הפיזיים שלה. כתוצאה מכך, החיפוש אחר חומרים חלופיים בעלי תכונות חדשות לחלוטין הוא חיוני להתקדמות טכנולוגית עתידית.
עוד בשנת 2021, מדענים מ-Cluster of Excellence ct.qmat – מורכבות וטופולוגיה בחומר קוונטי באוניברסיטאות JMU Würzburg ו-TU Dresden גילו תגלית משמעותית: חומרים קוונטיים טופולוגיים כגון Indene, אשר טומנים בחובם הבטחה רבה למהירות אולטרה-חסכונית באנרגיה. מכשירי חשמל. הקוונטי המתקבל, דק במיוחד מוליכים למחצה מורכבים מסינגל אָטוֹם שכבה – במקרה של אינדאן, אטומי אינדיום – ופועלות כמבודדים טופולוגיים, מוליכים חשמל כמעט ללא התנגדות לאורך הקצוות שלהם.
"הפקת שכבה אטומית אחת כזו דורשת ציוד ואקום מתוחכם וחומר מצע ספציפי. כדי לנצל את החומר הדו-ממדי הזה ברכיבים אלקטרוניים, יהיה צורך להסירו מסביבת הוואקום. עם זאת, חשיפה לאוויר, אפילו לזמן קצר, מובילה לחמצון, הורס את תכונותיו המהפכניות והפיכתו לחסר תועלת", מסביר הפיזיקאי הניסיוני פרופסור ראלף קלאסן, דובר וירצבורג של ct.qmat.
צוות ct.qmat וירצבורג הצליח כעת לפתור את הבעיה הזו. התוצאות שלהם פורסמו בכתב העת תקשורת טבע.
מיזוג של תמונות ניסיוניות. בחלק העליון, תמונת מיקרוסקופ מנהור סורקת מציגה את סריג חלת הדבש של הגרפן (שכבת ההגנה). במרכז, מיקרוסקופיה אלקטרונית מציגה מבט מלמעלה של החומר אינדן כסריג משולש. מתחתיו מבט צדדי של מצע הסיליקון קרביד. ניתן לראות שגם האינדן וגם הגרפן מורכבים משכבה אטומית אחת. קרדיט: יונאס ארהרדט/כריסטוף מאדר)
בחיפוש אחר ציפוי מגן
"הקדשנו שנתיים למציאת שיטה להגנה על שכבת האינדן הרגישה מפני גורמים סביבתיים באמצעות ציפוי מגן. האתגר היה להבטיח שהציפוי הזה לא יקיים אינטראקציה עם שכבת האינדן", מסביר סדריק שמיט, אחד מהדוקטורנטים של Claessen המעורבים בפרויקט. האינטראקציה הזו בעייתית מכיוון שכאשר סוגים שונים של אטומים – משכבת ההגנה והמוליך למחצה, למשל – נפגשים, הם מגיבים כימית ברמה האטומית, ומשנים את החומר. זו לא בעיה עם שבבי סיליקון קונבנציונליים, הכוללים שכבות אטומיות מרובות, ומשאירים מספיק שכבות בלתי מושפעות ומכאן עדיין מתפקדות.
"חומר מוליך למחצה המורכב משכבה אטומית אחת כמו אינדן בדרך כלל ייפגע על ידי סרט מגן. זה היווה אתגר בלתי עביר לכאורה שעורר את סקרנות המחקר שלנו", אומר קלאסן. החיפוש אחר שכבת הגנה ברת קיימא הוביל אותם לחקור חומרי ואן דר ואלס, על שם הפיזיקאי ההולנדי יוהנס דידריך ואן דר ואלס (1837–1923). קלאסן מסביר: "השכבות האטומיות הדו-ממדיות הללו של ואן דר ואלס מאופיינות בקשרים פנימיים חזקים בין האטומים שלהן, תוך קשר חלש בלבד למצע. מושג זה דומה לאופן שבו עופרת עיפרון עשויה גרפיט – צורה של פחמן עם אטומים המסודרים בשכבות חלת דבש – כותבת על נייר. השכבות של גרפן ניתן להפריד בקלות. שאפנו לשחזר את המאפיין הזה".
הַצלָחָה!
באמצעות ציוד ואקום מתוחכם במיוחד, צוות וירצבורג ערך ניסויים בחימום סיליקון קרביד (SiC) כמצע לאנדן, וחקר את התנאים הדרושים ליצירת גרפן ממנו. "סיליקון קרביד מורכב מסיליקון ואטומי פחמן. חימום זה גורם לאטומי הפחמן להתנתק מהמשטח וליצור גרפן", אומר שמיט ומבהיר את תהליך המעבדה. "לאחר מכן השקענו אטומי אינדיום, שקועים בין שכבת הגרפן המגנה למצע הסיליקון קרביד. כך נוצרה שכבת ההגנה של החומר הקוונטי הדו-מימדי שלנו אינדן".
מטריה פרושה
לראשונה בעולם, Claessen והצוות שלו בסניף וירצבורג של ct.qmat יצרו בהצלחה שכבת הגנה פונקציונלית עבור חומר מוליכים למחצה קוונטיים דו-מימדיים מבלי לפגוע בתכונות הקוונטיות יוצאות הדופן שלו. לאחר ניתוח תהליך הייצור, הם בדקו ביסודיות את יכולות ההגנה של השכבה מפני חמצון וקורוזיה. "זה עובד! הדגימה יכולה אפילו להיחשף למים מבלי להיפגע בשום צורה", אומר קלאסן בהנאה. "שכבת הגרפן פועלת כמו מטריה עבור האינדן שלנו."
לקראת אלקטרוניקה בשכבה אטומית
פריצת דרך זו סוללת את הדרך ליישומים הכוללים שכבות אטומיות מוליכים למחצה רגישים ביותר. ייצור רכיבים אלקטרוניים דקים במיוחד מחייב עיבודם באוויר או בסביבות כימיות אחרות. זה התאפשר הודות לגילוי של מנגנון הגנה זה. הצוות בווירצבורג מתמקד כעת בזיהוי חומרים נוספים של ואן דר ואלס שיכולים לשמש כשכבות הגנה – וכבר יש להם כמה סיכויים בראש. החיסרון הוא שלמרות ההגנה היעילה של גרפן על השכבות החד-אטומיות מפני גורמים סביבתיים, המוליכות החשמלית שלו מהווה סיכון לקצר חשמלי. המדענים של וירצבורג עובדים על התגברות על האתגרים הללו ויצירת התנאים לאלקטרוניקה של השכבה האטומית של מחר.
אשכול מצוינות ct.qmat
Cluster of Excellence ct.qmat – מורכבות וטופולוגיה בחומר קוונטי מנוהל במשותף על ידי Julius-Maximilians-Universität (JMU) וירצבורג ו-Technische Universität (TU) דרזדן מאז 2019. למעלה מ-300 מדענים מיותר משלושים מדינות וארבע יבשות חוקרים חומרים קוונטיים טופולוגיים החושפים תופעות מפתיעות בתנאים קיצוניים כמו טמפרטורות נמוכות במיוחד, לחץ גבוה או שדות מגנטיים חזקים. ct.qmat ממומן באמצעות אסטרטגיית המצוינות הגרמנית של הממשלות הפדרליות והמדינות, והוא אשכול המצוינות היחיד בגרמניה שבסיסו בשתי מדינות פדרליות שונות.
