دیودهای نانویی با یک پیچش؛ وقتی شکل بلور مسیر برق را عوض میکند!
دانشمندان نشان دادهاند که پیچاندن یک بلور در مقیاس نانو میتواند نحوه عبور جریان الکتریکی را تغییر دهد و آن را به یک دیود بسیار کوچک و برگشتپذیر تبدیل کند؛ دستاوردی که میتواند آغازگر عصری تازه در الکترونیک مبتنی بر مهندسی شکل باشد.
به گزارش scitechdaily، پژوهشگران مرکز علوم ماده نوظهور RIKEN ژاپن با همکاری گروهی از محققان بینالمللی روشی نوین برای ساخت دستگاههای سهبعدی در مقیاس نانو بهطور مستقیم از بلورهای تککریستالی توسعه دادهاند. این روش بر پایه استفاده از پرتوی یونی متمرکز (Focused Ion Beam) است که امکان تراش دقیق مواد در ابعاد بسیار کوچک را فراهم میکند.
ساخت مارپیچهای نانویی از یک ماده توپولوژیک
در این پژوهش تیم تحقیقاتی با بهرهگیری از این ابزار ساختارهای مارپیچی بسیار ریز را از یک ماده مغناطیسی توپولوژیک شامل کبالت، قلع و گوگرد با فرمول شیمیایی Co₃Sn₂S₂ ایجاد کردند. آزمایشها نشان داد این ساختارها رفتاری شبیه به دیودهای قابلسوئیچ دارند؛ به این معنا که جریان الکتریکی در یک جهت راحتتر از جهت دیگر عبور میکند.
اهمیت ساختارهای سهبعدی در مقیاس نانو
ساخت قطعات الکترونیکی با شکلهای سهبعدی پیچیده میتواند به تولید دستگاههایی کوچکتر، سریعتر و کممصرفتر منجر شود. با این حال تاکنون تنها تعداد محدودی از فناوریهای ساخت امکان ایجاد چنین ساختارهایی را داشتهاند. بسیاری از این روشها دامنه مواد قابل استفاده را محدود میکنند و در برخی موارد کیفیت نهایی دستگاه را کاهش میدهند؛ موضوعی که کاربرد عملی آنها را با چالش مواجه کرده است.
ابزار جدید نانوتراشی با دقت بالا
در این مطالعه که نتایج آن در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده پژوهشگران از یک پرتوی یونی متمرکز با دقت زیر میکرون استفاده کردند. این ابزار به آنها اجازه داد بسیاری از محدودیتهای پیشین را کنار بزنند. از نظر نظری این روش امکان شکلدهی دستگاههای سهبعدی از تقریبا هر ماده بلوری را فراهم میکند. فرایند کار شباهت زیادی به مجسمهسازی دارد؛ بهگونهای که پرتو یونی بهتدریج ماده را حذف میکند تا شکل نهایی مورد نظر پدیدار شود.
مارپیچها و ایجاد دیودهای برگشتپذیر
برای نمایش توانایی این روش، محققان دیودهای نانویی مارپیچی را از بلور Co₃Sn₂S₂ ساختند. با توجه به ویژگیهای این ماده آنها پیشبینی میکردند که شکل پیچخورده ساختار به بروز پدیدهای غیرمعمول به نام انتقال الکتریکی غیرمتقارن منجر شود؛ اثری که ریشه در هندسه کایرال ساختار در مقیاس نانو دارد.
آزمایشها این پیشبینی را تایید کرد. جریان الکتریکی در یک جهت آسانتر عبور میکرد و این اثر با تغییر جهت مغناطش یا راستگرد یا چپگرد بودن مارپیچ قابل معکوس شدن بود. پژوهشگران همچنین پدیده معکوسی را مشاهده کردند که در آن پالسهای قوی الکتریکی میتوانستند مغناطش ساختار را تغییر دهند. دیودها از اجزای کلیدی الکترونیک مدرن به شمار میروند و در کاربردهایی مانند تبدیل جریان متناوب به مستقیم، پردازش سیگنال و فناوری LED نقش اساسی دارند.
تاثیر مستقیم شکل بر حرکت الکترونها
با بررسی مارپیچهایی در اندازههای مختلف و انجام آزمایشها در دماهای گوناگون دانشمندان دریافتند که رفتار دیودی این ساختارها به پراکندگی نامتوازن الکترونها در امتداد دیوارههای خمیده دستگاه مرتبط است. این یافته نشان میدهد که شکل فیزیکی یک قطعه میتواند بهطور مستقیم بر نحوه حرکت الکتریسیته در آن اثر بگذارد. چنین بینشی راه را برای طراحی المانهای الکترونیکی کممصرف از طریق مهندسی هندسه باز میکند؛ با کاربردهای بالقوه در سامانههای آینده حافظه، منطق و حسگرها.
هندسه اصل طراحی جدید در الکترونیک
مکس برچ، نویسنده اول این مطالعه میگوید: با در نظر گرفتن هندسه بهعنوان منبعی برای شکستن تقارن، همتراز با ویژگیهای ذاتی مواد، میتوانیم عدم تقارن الکتریکی را در سطح خود دستگاه مهندسی کنیم. روش جدید نانوتراشی با پرتو یونی متمرکز دامنه وسیعی از مطالعات درباره نقش ساختارهای سهبعدی و خمیده در ایجاد عملکردهای الکترونیکی نو را ممکن میسازد.
یوشینوری توکورا، سرپرست گروه تحقیقاتی نیز تاکید میکند: بهطور کلیتر این رویکرد امکان طراحی دستگاههایی را فراهم میکند که در آنها حالتهای الکترونیکی توپولوژیک یا بهشدت همبسته با خمیدگی مهندسیشده ترکیب میشوند؛ آن هم در رژیم انتقال بالستیک یا هیدرودینامیکی. همگرایی فیزیک مواد و نانوفناوری میتواند به معماریهای عملکردی تازهای با اثرگذاری بالقوه در فناوریهای حافظه، منطق و حسگر منجر شود.
این دستاورد نشان میدهد که شکل و هندسه در کنار جنس ماده میتواند به یک ابزار قدرتمند برای طراحی نسل آینده قطعات الکترونیکی تبدیل شود.
انتهای پیام/
