عنصر السيليكون ومستقبل التكنولوجيا القادم
السيليكون .. إشراق فجر جديد لعصر الإلكترونيات متناهية الدقة
|
*إعداد : محمد شاهين
يعتبر السيليكون من المواد الكيميائية المصنفة في الجدول الدوري تحت مسمى الموصلات أو أشباه الموصلات. ولعل كثيراً من الأبحاث التقنية قد اعتمدت على هذه الصفة بشكل أساسي، أو بمعنى آخر فإن عنصر السيليكون متوافر بكميات كبيرة، ونظراً لطبيعته تلك فإنه يدخل في كثير من الصناعات التي لها علاقة بالطاقة الكهربائية وتوصيلها أو نقلها من حالة إلى أخرى.
أما الاستفادة من العنصر فهي كبيرة نظراً لطبيعته المرنة، وهذه الاستفادة لم تقتصر فقط على المجالات التقنية، وإنما تتعدد مجالاتها وتتنوع، فقد يسمع البعض عن ارتباط هذه المادة بمجال الطب والعمليات الجراحية والتجميلية منها خاصة، ذلك المجال الذي يمكن أن يتبادر إلى الذهن بمجرد ذكر الكلمة عند الأسماع.
كما أن لمادة السيليكون فوائدها بالنسبة للأغراض المنزلية المختلفة التي منها تثبيت الأجزاء الخشبية ببعضها، ويمكن لمادة السيليكون كذلك التعامل مع جميع أنواع المواد الأخرى والتفاعل معها، ما يعطيها صفتي المرونة والتعددية، ومن ثم فإن الاعتماد عليها يكون كبيراً في جميع المجالات.
علماء التكنولوجيا الحديثة ينظرون إلى مادة السيليكون على أنها العصر التقني القادم، ما حدا بالبعض إلى تسمية الفترة القادمة بعصر السيليكون.
ولا أتصور أن اسم وادي السيليكون الموجود في إحدى الولايات الأمريكية، الذي يجمع كبريات الشركات العاملة بالتكنولوجيا في العالم، إلا لما يتوقعه العالم من فوائد وقدرات لا يزال الكثير منها كامناً لعنصر السيليكون. استخدام الكيمياء في صناعة الإلكترونيات تعد الفائدة الأساسية للسيليكون في مجال صناعة الالكترونيات الدقيقة، وهي السعي لتقليل حجم الأجهزة الإلكترونية التقليدية التي تعتمد على مادة السيليكون لتقديم تكنولوجيا ذات أداء أعلى يمكن وضعها في جهاز أصغر حجماً. ومن هذا المنطلق توالت الأبحاث والاختراعات على يد العلماء المشتغلين على هذه المادة، ويتضح التقدم الناتج عن هذا التصغير في حجم الأجهزة من خلال التقدم السريع في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، مثل الهواتف الخلوية وأجهزة الكمبيوتر المتنقلة، التي تمت مشاهدته خلال السنوات الأخيرة.
فالآن يمكن للإلكترونيات الجزيئية التي تعتمد على السيليكون - وهي تكنولوجيا مكملة للإلكترونيات التقليدية المصغرة التي يمكن أن تعمل على تقليل حجم الأجهزة الإلكترونية إلى مقياس طول النانومتر - ان تقدم السبق التالي في تكنولوجيا التصغير.
يقول مارك هيرسام، أستاذ مساعد في علوم وهندسة المواد بكلية العلوم الهندسية والتطبيقية في جامعة نورثويسترن: إن الإلكترونيات الجزيئية تقدم إمكانية لاستخدام الجزيئات العضوية الفردية في تطبيقات الأجهزة الإلكترونية، ومن المحتمل أن يمثل جهاز مكون من جزيء واحد قابلية التطور المطلق في تكنولوجيا الإلكترونيات.
وقد قام هيرسام مع طلبة خريجين حديثا بنشر تقرير لهم عن التقدم الذي قاموا بإحرازه في مجال الإلكترونيات الجزيئية التي تعتمد على السيليكون في إصدار 21 يونيو 2005 من مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences.
وفي هذا العمل، تم استخدام ميكروسكوب تم تصنيعه خصيصاً لتصوير واكتشاف الجزيئات العضوية الفردية في السيليكون، وعند درجة حرارة 80 Kelvin ، تجاوزت دقة هذه القياسات الجهود السابقة التي تم تحقيقها عند درجة حرارة الغرفة العادية، وبالحصول على هذه البيانات غير المسبوقة، تم تعديل القيود على تصميم الأجهزة الالكترونية الجزيئية التي تعتمد على السيليكون.
وفي تطور شائق، قدمت هذه الدراسة أيضا دراسة عميقة للتكوين الكيميائي والإلكتروني للجزيئات العضوية المركبة على الطبقات التحتية من السيليكون، وبالرغم من أن دراسة جامعة نورثوسترن كانت تقصد في البداية استخدام كيمياء حديثة لتحسين الإلكترونيات، إلا أن الجهاز الإلكتروني الجزيئي الناتج عن ذلك قدم أيضا فهما للأساسيات الجوهرية للكيمياء السطحية.
وبهذه الطريقة، من المحتمل ان يؤثر العمل على مجالات أخرى مثل الجس والحفز والتشحيم، حيث تلعب الكيمياء السطحية دورا نشطا، وقد قامت مؤسسة العلوم القومية بمكتب أبحاث الجيش وناسا بدعم هذا البحث.
***
موجة قادمة من الإلكترونيات
ومن المحتمل ان تكون الموجة القادمة هي موجة الإلكترونيات المتموجة، فقد قام الباحثون في جامعة الينوي بتطوير نمط قابل للتمدد بالكامل للسيليكون الاحادي الكريستال من خلال تقنيات هندسية بحجم الميكرون وتشبه الموجه يمكن استخدامها لبناء اجهزة الكترونية عالية الاداء على طبقات أساسية مطاطية.
وفي هذا الاطار قال جون روجرز بروفيسور علوم المواد والهندسة: يقدم السيليكون القابل للتمدد قدرات مختلفة عن تلك التي يمكن الحصول عليها من خلال رقائق السيليكون العادية.
ويمكن استخدام الالكترونيات الوظيفية والقابلة للتمدد والثني في تطبيقات مثل المجسات والكترونيات الادارة لكي تتكامل مع العضلات الصناعية و الانسجة البيولوجية، وشاشات المراقبة الهيكلية التي تلتف حول اجنحة الطائرات والجلد الخارجي للمجسات الآلية.
ومما يذكر ان روجرز هو أيضا بروفيسور مؤسس للهندسة وباحث في معهد بيكمان للعلوم والتكنولوجيا المتقدمة وعضو في معمل فريدريك سيتز لأبحاث المواد. وللحصول على السيليكون القابل للتمدد يبدأ الباحثون من خلال تصنيع أجهزة بواسطة هندسة شرائط رقيقة للغاية على رقاقة من السيليكون باستخدام إجراءات تشابه تلك المستخدمة في الإلكترونيات التقليدية، وبعد ذلك يقومون باستخدام تقنيات ثقب متخصصة للتقطيع.
وتكون شرائط السيليكون الناتجة عن ذلك بسمك يبلغ 100 نانومتر - أي حوالي 1000 مرة اقل من قطر شعرة الإنسان.
وفي الخطوة التالية، يتم تمديد طبقة أساسية مسطحة من المطاط ووضعها فوق الشرائط، وعند نزع المطاط، تتم إزالة الشرائط من على الرقاقة وتلتصق بالسطح المطاطي. ويتسبب اعتاق الجهد من المطاط من تشابك شرائط السيليكون والمطاط في سلسلة متتالية من الموجات المحددة بشكل جيد تشابه آلة الاكورديون.
وقال يونج هوانج، بورفويسور في الهندسة الميكانيكية والصناعية: إن النظام الناتج من العناصر المتكاملة المتموجة على المطاط يمثل شكلا جديدا من الإلكترونيات القابلة للتمدد والعالية الأداء، ويتغير اتساع وتكرار الموجات من خلال طريقة فيزيائية تشابه الاكورديون، عند تمديد أو ضغط النظام.
***
السيليكون والصمامات الثنائية
ولإثبات هذه الفكرة، قام الباحثون بتصنيع صمامات ثنائية وترانزيستورات ثم قاموا بمقارنة أدائها مع الاجهزة التقليدية، ولم تتمكن الأجهزة المتموجة فقط من الاداء بنفس درجة الأجهزة الصلبة، ولكنها أثبتت كذلك إمكانية تمديدها وضغطها بشكل متكرر دون الضرر بها، ودون تعديل خصائصها الكهربائية بشكل كبير. وأضاف روجرز أن هذه الصمامات الثنائية والترانزيستورات المصنوعة من السيليكون تمثل فقط فئتين من عدة فئات من الأجهزة الالكترونية المتموجة التي يمكن تشكيلها، فبالإضافة إلى الأجهزة الفردية، يمكن كذلك تكوين رقائق دوائر كاملة بشكل هندسي متموج لتمكينها من قابلية التمدد.
وبجانب الخصائص الميكانيكية الفريدة للأجهزة المتموجة، فإن ربط الجهد مع الخصائص الالكترونية والبصرية قد يتيح الفرص لتصميم هياكل من الأجهزة تستغل التغييرات الميكانيكية والدورية في الجهد لتحقيق استجابات غير عادية.
وبالإضافة إلى روجرز وهوانج، وهما مؤلفا البحث، كان هناك باحث درجة الدكتوراه داهل - يانج خانج وعالم باحث وهو هانجينج جياند، وقد قامت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة ووزارة الطاقة الأمريكية بتمويل هذا العمل.
وقد دخلت الدوائر المدمجة عصر الإلكترونيات متناهية الدقة في عام 2003 بظهور أولى الدوائر التي يبلغ حجمها 90 نانومترا والمركبة على شرائح رقيقة من مقاس 300 ملليمتر وطرحها على نطاق تجاري.
ويتزايد تطلع صناعة الأجهزة الإلكترونية الدقيقة إلى التقنيات التي تؤدي إلى إنتاج أجهزة مدمجة بكثافة أعلى، ذات سرعة أكبر، تستهلك قدرا أقل من الطاقة، مع الالتزام بقانون مور.
يتطلب هذا السعي نحو مزيد من التصغير تجديدات عظمى في عملية طباعة الدوائر على قواعد من مواد مختلفة، سواء في المواد المستخدمة في هذه العملية أو في البنية الهندسية للأجهزة الناتجة.
ويركز العلماء على أحدث المنتجات التكنولوجية وأكثرها تقدما، مثل تقنية EUV، والشعاع الإلكتروني، والطباعة متناهية الدقة، التي لو عمل كل منها بمفرده في مجاله الخاص فلن نتمكن من إنتاج إلا النزر اليسير من النانومترات.
***
شرائح السيليكون للترانزيستورات فائقة الأداء
على صعيد آخر استخدم علماء من جامعة إلينويس شريحة سميكة من السيليكون لنحت نقاط تتكون كل منها من بلورة سيليكون واحدة، ووضعوا هذه النقاط على ألواح مصنوعة من البلاستيك، وبذلك أوضحوا معالم الطريق إلى صنع ترانزيستورات فائقة الأداء مكونة من شرائح رقيقة مرنة.
وستمكن هذه العملية من ظهور تطبيقات جديدة في عالم الإلكترونيات المتاحة للمستهلكين، مثل شاشات العرض التي تمتد بطول وعرض جدار الغرفة، أو الملصقات المعدنية الذكية التي توضع على البضائع لتيسير التعرف عليها والتي تعمل بترددات الراديو وتستخدم مرة واحدة، بل يمكن استخدام هذه العملية في تطبيقات تتطلب طاقة حاسوبية عالية.
يقول جون روجرز، أستاذ علوم وهندسة المواد: إن أجهزة السيليكون التقليدية محدودة بحجم شريحة السيليكون، التي يقل قطرها في الحالات العادية عن 12 بوصة.
وبدلا من تضخيم حجم الشريحة بما يزيد من سعرها، نريد أن نقسم الشريحة الواحدة إلى عدة شرائح ونوزعها بالطريقة التي نحتاجها على قواعد مكونة من أسطح كبيرة وقليلة التكلفة، مثل الأسطح المصنوعة من أنواع البلاستيك المرن.
***
الخواص الكهربائية
ولهذه الطريقة ميزات مهمة مقارنة بالأجهزة المماثلة التي تستخدم جزيئات عضوية في صنع أشباه الموصلات، فالنقطة التي تتكون من بلورة سيليكون واحدة لها خواص كهربائية جيدة (فهي أفضل بحوالي 1000 مرة تقريبا من الجزيئات العضوية المعروفة)، كما أن خواصها من جهة الثبات والمواد المصنوعة منها صارت معروفة جيدا بعد عدة عقود أنفقت في إجراء أبحاث في مجال الإلكترونيات الدقيقة (المايكرو إلكترونيات) المصنوعة من السيليكون.
وقد سعى روجرز وزملاؤه لإيضاح التقنية التي استخدموها بتصنيع أشياء دقيقة الحجم تعمل ببلورة واحدة من السيليكون مصنوعة من شرائح السيليكون باستخدام نماذج تقليدية للحفر على المعادن وعمليات حفر باستخدام الأحماض.
نتج عن هذه المعالجات الصناعية أشياء مختلفة الأشكال ذات أحجام متناهية الدقة، بلغ حجم بعضها 50 نانومترا، ثم استخدم الباحثون طريقتين لنقل هذه الأشياء إلى القواعد لصنع ترانزيستورات فائقة الأداء مكونة من شرائح رقيقة.
يقول رالف نوزو، وهو أستاذ لمادة الكيمياء ومدير معمل فريدريك سيتز لأبحاث المواد بجامعة إلينويس: تستخدم طريقتنا إجراءات تستغل أختاما مطاطية عالية الوضوح لنقل البلورات وطبعها على سطح القاعدة.
وهناك طريقة أخرى، نشرنا فيها الأشياء المصنوعة من بلورة سيليكون واحدة في محلول ثم ركبناها على أسطح القواعد باستخدام تقنيات الطباعة القائمة على استخدام المحاليل.
وقال نوزو انه من الممكن تنفيذ الطريقتين في بيئة التصنيع، وهما تجعلان البلورات تستقر بسلاسة على شكل قشور رقيقة على أسطح واسعة.
كما أن فصل عملية معالجة السيليكون عن عملية تصنيع بقية مكونات الترانزستور يجعل من الممكن دمج الأجهزة بمواد متعددة الأنواع، تشمل أنواع البلاستيك قليلة التكلفة.
***
تقنيات الطباعة المستمرة
وقال روجرز إن تصنيع دوائر الترانزيستور باستخدام تقنيات الطباعة المستمرة ذات السرعة العالية يمكن أن يقدم قدرات مختلفة أكثر مما يمكن تحقيقه بواسطة تقنيات السيليكون الموجودة حاليا، وأضاف قائلا: يمكننا أن نفكر بعبارة الإلكترونيات التقليدية، في وضع الأجهزة على قواعد من البلاستيك التي لا يمكننا وضع شرائح السيليكون المعتادة عليها بسبب ارتفاع تكلفتها أو طبيعة شكلها الهندسي.
هذه الطريقة لا تمكننا فقط من بناء شاشات بعرض الجدار بتكلفة أقل، بل يمكننا أيضا طباعة مكونات تلك الشاشات على السطح الداخلي للنوافذ وغيرها من الأسطح غير المستوية.
تفضل تقنيات التصنيع الحالية الشرائح المستوية، لكن الطرق القائمة على طباعة البلورات على الأسطح تحررها من هذا القيد.
يقول نوزو: من الجوانب الأخرى لطباعة الإلكترونيات بطرق منخفضة التكلفة أنها تمكننا من إدخال تكنولوجيا المعلومات إلى أماكن لم تدخلها من قبل، فعن طريق زراعة الذكاء الإلكتروني في الأشياء التي يستخدمها الناس في حياتهم اليومية، سنتمكن من تبادل المعلومات والتواصل مع بعضنا البعض بطرق جديدة مدهشة.
وقال ان هذه الملصقات منخفضة التكلفة التي تعمل بترددات الراديو والتي يمكن أن تحل محل الملصقات الورقية التي تحتوي على خطوط (الباركود) المستخدمة حاليا لتعريف البضائع، من شأنها أن تخفف تزاحم الناس في صفوف لمراجعة مشترياتهم في المتاجر الكبيرة، وتساعد ربات البيوت المشغولات على التأكد من صحة ما دفعته مقابل مشترياتهن.
يقول نوزو: أطلق لخيالك العنان كما تهوى، فالدائرة الإلكترونية تقدر على أداء وظيفتها دون أن ترتبط سلكيا بشريحة، إذ يمكن دمجها في البنية الهندسية للجهاز نفسه.
وقد اعتاد نوزو وروجرز وكل من شاركهما في إجراء البحث التردد على العالم إتيين مينارد، والأستاذ داهل - يونج خانج الذي يجري أبحاثا بعد حصوله على درجة الدكتوراه، وطالب الدراسات العليا كيون - جي لي.
كما قامت هيئة مشروعات البحوث الدفاعية المتقدمة ووزارة الطاقة الأمريكية بتمويل هذا العمل.
***
صناعة السيليكون.. أمل في طاقة جديدة
طور فريق من الباحثين بقيادة مهندسين من جامعة كاليفورنيا تقنية جديدة لمعالجة العيوب المعدنية في السيليكون منخفض الدرجة، وهي ميزة قد تقلل كثيرا من تكلفة الخلايا التي تعمل بالطاقة الشمسية.
إن ما يقارب 90% من الخلايا التي تعمل بالطاقة الشمسية أو التي تولد منها الطاقة الكهربائية يتم تصنيعها من نوع معين من السيليكون الصافي شديد النقاء، وهي نفس المادة المستخدمة في صنع الدوائر المدمجة.
وقد أدى تنامي صناعات أشباه الموصلات والخلايا الشمسية إلى زيادة الطلب على هذا النوع شديد النقاء من السيليكون، ما زاد الضغط على الكم المحدود المعروض منه، فارتفعت أسعار المواد التي يدخل في صناعتها.
وقد فشلت محاولات استخدام النوع الرخيص الموجود بوفرة من السيليكون، وهو نوع به الكثير من الشوائب والعيوب المعدنية؛ لأن الخلايا الشمسية المصنوعة من هذه المادة لا تؤدي وظيفتها بشكل كفء، كما أن التقنيات الصناعية المستخدمة لإزالة الشوائب باهظة التكلفة، ما ينفي الجدوى الاقتصادية من استخدام المواد الأرخص سعرا في تصنيع هذه الخلايا.
يقول آيك فيبر، أستاذ علوم وهندسة المواد بجامعة كاليفورنيا ببيركلي، والمشرف على الباحثين في مركز المواد المتقدمة بمعمل لورانس بيركلي القومي: لقد اقترحنا طريقة جديدة لاستخدام السيليكون الرديء، فبدلا من تنقيته من الشوائب، يمكننا استخدامه بشوائبه، شريطة أن نعالجها بطريقة تقلل من أثرها الضار على كفاءة الخلايا الشمسية.
***
خفض نفقات الخلايا الشمسية
ويقول الباحثون في هذا المجال ان نتائج بحثهم يمكنها أن تخفض من نفقات الخلايا الشمسية بشكل مدهش إذ تجعل استخدام المواد الرخيصة مجدية اقتصاديا، وأنه غالبا ما يستند الترويج للطاقة الشمسية إلى أنها مصدر مبشر بالنجاح من مصادر الطاقة البديلة، وأنها أكثر هذه البدائل أمنا، ويمكنها أن تقلل من اعتمادنا على الوقود الأجنبي، وفي نفس الوقت تخفض من إطلاق الغازات الخطرة التي تضر بمناخ العالم.
ويحقق معدل النمو العالمي الحالي لعمليات توليد الطاقة من أشعة الشمس زيادة سنوية قدرها 30% إلى 40%، وهو معدل أقل ما يقال عنه أنه مدهش، لكن صناعة الطاقة الشمسية يمكن أن تنمو بمعدل أسرع من هذا إذا تمكن الباحثون والعاملون في الصناعة من تحقيق مزيد من خفض تكلفة الخلايا الشمسية.
وقد حلل فريق العمل كيفية استجابة الشوائب المعدنية التي يحتوي عليها السيليكون لمختلف طرق المعالجة باستخدام مجسات دقيقة شديدة الحساسية من الأشعة السينية المنطلقة بسرعة من أجهزة السينكروتون التي تزيد من سرعة الإلكترونات، وهي مجسات تستطيع اكتشاف الكتل المعدنية متناهية الدقة، التي تصل أحجامها إلى 30 نانومترا.
وقد وجد الباحثون أن العيوب ذات الأحجام متناهية الدقة تتناثر في جميع أنحاء شرائح هذا السيليكون، وأن هذا من شأنه أن يحد من متوسط المسافة التي يمكن أن تقطعها الإلكترونات قبل أن تفقد طاقتها.. وتعرف هذه المسافة باسم أدنى طول حامل للانتشار، وكلما زاد طولها زادت كفاءة المادة على تحويل الطاقة.
وقد قال بوناسيسي: لقد وجدنا أن احدى طرق معالجة هذه العيوب المعدنية ذات الأحجام متناهية الدقة أن نجمعها معا في مجموعات أكبر، وهذا يقلل قدرتها على تشتيت الإلكترونات.
وأضاف: يمكن أن نشبه الجزيئات المعدنية بمئات من الخيول تسير على غير هدى في شوارع بيركلي، لا بد أن هذه الخيول ستشتت وسائل المواصلات، لكن لو جمعنا هذه الخيول في حظيرة واحدة، سيتمكن الناس ووسائل المواصلات من التحرك حولها بمزيد من الحرية.
***
تنويع معدل تبريد السيليكون
وقد وجد الباحثون أنه من الممكن معالجة توزيع الشوائب المعدنية بتنويع معدل تبريد السيليكون، فعند تبريد المادة بسرعة، تحتبس العيوب المعدنية بسرعة وهي متناثرة في جميع أجزائها، لكن مجرد إبطاء معدل عملية التبريد يجعل الشوائب المعدنية تتجمع معا في كتل أكبر حجما.
وقال بوناسيسي أيضا: لقد مكننا استخدام هذه التقنية في التبريد من تحسين المسافة التي يمكن أن تقطعها الإلكترونات بمقدار أربعة أضعاف مقارنة بسرعة انتقالها في السيليكون الذي ترك على حاله بلا معالجة.
ورغم أن هذه السرعة ما زالت أقل كفاءة من سرعة انتقال الإلكترونات في السيليكون فائق النقاء، لكنها تثبت مبدأ أننا يمكن أن نحسن السيليكون منخفض الجودة بسهولة، ونحن الآن نبحث عن تقنيات أخرى يمكن أن تزيد كفاءة السيليكون غير المنقح.
ويوضح الباحثون أن تقنيات مثل تنويع معدل تبريد السيليكون وسيلة سهلة وذات تكلفة مجدية اقتصاديا لتعديل الإجراءات الصناعية الحالية.
يقول فيبر: نحن نستهدف التكنولوجيا العادية الموجودة، والطريقة التي نقترحها يمكن أن تؤدي إلى تقدم هائل في إتاحة الطاقة الشمسية على نطاق أوسع بمجرد تغييرات طفيفة في العملية الصناعية.
ويقول الباحثون انه بحلول عام 2006، ستتجه صناعة توليد الطاقة من أشعة الشمس إلى استخدام المزيد من السيليكون أكثر من صناعة الإلكترونيات الدقيقة، وأن الحفاظ على التكلفة الاقتصادية للطاقة الشمسية قد يعتمد على إيجاد طرق لاستخدام المواد السيليكونية الأرخص سعرا.
ويقول إيستراتوف من جامعة كاليفورنيا ببيركلي: لم يواكب إنتاج السيليكون عالي الجودة تزايد الطلب على توليد الطاقة الكهربائية من أشعة الشمس، وجعلها وسيلة معتادة للحصول على الطاقة.
وأضاف: نتج عن ذلك نقص في المعروض من السيليكون عالي الجودة، ما أدى إلى ارتفاع أسعار المعروض منه في سوق الشراء الفوري بمقدار حوالي 800%، وحيث ان شرائح السيليكون التي تصنع منها الخلايا الشمسية تشكل أكثر من نصف تكلفة الأجهزة التي تحتوي على خلايا شمسية، فقد أدى هذا إلى الارتفاع الحالي في أسعار الخلايا الشمسية.
نحن نعتقد أن فكرتنا الهندسية قادرة على مساعدة صناعة توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية لتظل قادرة على المنافسة مصدرا بديلا للطاقة، وقد تلقى البحث دعما من معمل الطاقة المتجددة بوزارة الطاقة الأمريكية ومشروعها الخاص بإجراء أبحاث جامعية عن السيليكون المتبلور.
***
المستحيل أصبح ممكنا: إضاءة الليزر من السيليكون
يعتبر مجال إنتاج شعاع الليزر باستخدام مادة السيليكون من المجالات الجديدة التي تخضع للدراسة والبحث، وذلك بالرغم من أنه حتى الآن ربما يعتبر مستحيلاً من الناحية الفيزيائية.
وعلى الرغم من ذلك استطاع فريق أبحاث في جامعة (براون) بقيادة جيمي اكسو بوضع التصميم الهندي لأول ليزر ينتج من السيليكون يتم ضخه بطريق مباشر بتغيير بناء كريستالات السيليكون من خلال تقنية حديثة متناهية الصغر يطلق عليها nanoscale.
فمنذ ابتكار أول ليزر - وهو نموذج ياقوتي تم صنعه في عام 1960 - قام العلماء بتصميم مصادر للإضاءة تتراوح من النيون إلى الزفير، ولكن، لم يتم اخذ السيليكون في الاعتبار مادة مرشحة.. فتكوينه لا يسمح بالصف الصحيح للإلكترونات المطلوبة لجعل شبه الموصل يقوم ببث الضوء، وقد قام الآن ثلاثة باحثين في جامعة (براون) بقيادة البروفيسور في علوم الهندسة والفيزياء، جيمي اكسو، بتحويل المستحيل إلى مستطاع.
فقد قام الفريق بابتكار أول ليزر يعمل بضخ السيليكون المباشر، من خلال تغيير التكوين الذري للسيليكون نفسه، وقد تم تحقيق هذا الإنجاز من خلال حفر بلايين الحفر في فجوة صغيرة من السيليكون باستخدام أداة متناهية الصغر، وكانت النتيجة ضوء ضعيف من الليزر ولكنه حقيقي، وقد تم نشر النتائج في إصدار مجلة Nature Materials عبر الإنترنت.
ويعتبر هذا الإنجاز إعجازا بالنسبة للبروفيسور اكسو، الذي يعرف معمله للتكنولوجيات المتطورة بمعمل التكنولوجيات المستحيلة.
وفي هذا الإطار، قال البروفيسور تشارلز تيلينجاست من الجامعة: هناك متعة لتحدي الحكمة التقليدية، وهذا العمل يتحدى قطعا الطبيعة التقليدية، وحتى الآن، لم يتم تحويل هذا الابتكار إلى الشكل العملي.
فحتى يتم تحويل ليزر السيليكون إلى أداة مجدية تجاريا، قال اكسو انه يجب هندسته لكي يكون أكثر قوة ويعمل عند درجة حرارة الغرفة (حيث انه يعمل الآن عند درجة حرارة اقل من 200 مئوية تحت الصفر).
لكن المادة التي تتمتع بالخواص الالكترونية للسيليكون والخواص البصرية لليزر سوف تجد استخدامات لها في مجالي الإلكترونيات والاتصالات، والمساعدة على جعل أجهزة الكمبيوتر أو شبكات الألياف البصرية اكثر قوة وسرعة.
***
تطوير ليزر هجين من السيليكون السريع الزوال
قام باحثون بجامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، بتطوير ليزر جديد من خلال ربط طبقات التضخيم البصري مباشرة مع فجوة ليزر السيليكون، في خطوة تبشر بان تكون تقدما مهما في هذا المجال.
ويقدم هذا الليزر الهجين بديلا لسيليكون ليزر RAMAN، وهو ذو مجال أقصر، ويتم ضخ الليزر بصريا، ويعمل بطريقة الموجة المستمرة، ويحتاج فقط لقدرة ضخ تعادل 30 Mw.
ويعتبر هذا العرض العملي لليزر السيليكون السريع الزوال أول خطوة نحو ليزر السيليكون الهجين الذي يتم ضخه كهربائيا.. وبشكل متزايد سوف يعتمد أداء أنظمة الإلكترونيات المصغرة على الوصلات بين الرقائق والأجهزة، مقارنة بخصائص الرقائق والأجهزة نفسها.
وسوف تصبح أنظمة أشباه الموصلات اصغر حجما، وسوف تقيد قدرة الربط وتبديد الطاقة من أدائها.
ويمكن للوصلات البصرية ان تخفف من هذه القيود ولكن تمثل التحدي في ابتكار ليزر شبه موصل يمكن تكامله بالكامل مع الإلكترونيات المصغرة من السيليكون، ويقوم الليزر الذي قام جون باورز وتلميذيه الكس فانج وهيونداي بارك باستخدام iInAIGaAs للحصول على التضخيم البصري.
وقال جون باورز وهو بروفيسور الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في UCSB إن القدرة على الجمع بين أفضل ما في العالمين (أي مواد التضخيم -III-V مع فوتون السيليكون) يمكن ان يؤدي إلى طريقة جديدة لتمكين تكامل مصادر الليزر الرفيعة مع الأجهزة البصرية - الإلكترونية الذكية لكي يتم استخدامها في الاتصالات البصرية المستقبلية مقابل تكلفة منخفضة.
.....
الرجوع
.....
|
|
|
|
توجه جميع المراسلات التحريرية والصحفية الى
chief@al-jazirah.com عناية رئيس التحرير
توجه جميع المراسلات الفنية الى
admin@al-jazirah.com عناية مدير وحدة الانترنت
Copyright 2002, Al-Jazirah Corporation, All rights Reserved
| 