יכולת חדשנית לחומר גרפן: נקודות קוונטיות

קבוצת החוקרים מאוניברסיטת רייס גילתה את היכולת ל”תלוש” אטומי מימן מיריעה דו-מימדית של גרפן, ממצא שבוודאי יקדם שטחי פעילות חדשניים לשימוש בגרפן כזה כבנקודות קוונטיות

גרפן הוא החומר הנבחר של הפיסיקאים עבור חומרים הנמצאים בחזית המדע, וחוקרים מאוניברסיטת רייס (Rice) נמצאים בקדמת חזית זו.

קבוצת החוקרים, בראשותו של בוריס יעקובסון (Boris Yakobson), פרופסור להנדסה מכאנית ומדעי-החומרים והכימיה, גילתה את היכולת ל”תלוש” אטומי מימן מיריעה דו-מימדית של גרפן, ממצא שבוודאי יקדם שטחי פעילות חדשניים לשימוש בגרפן כזה כבנקודות קוונטיות.

הממצא פותח צוהר לעולם חדש של אפשרויות עבור סוגי רכיבי ננו-אלקטרוניקה בקנה-מידה הזעיר ביותר, רכיבים התלויים בתכונות המוליכות למחצה הנשלטות מאוד של נקודות קוונטיות, בייחוד בתחום של אופטיקה מתקדמת.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי ACS Nano כאשר אוניברסיטת רייס הוכתרה לאחרונה כמוסד המוביל במחקר של מדעי-החומרים ע”י כתב-עת בריטי.

גרפן, שלשני צידיו מוספים אטומי מימן, הופך ממוליך לחומר מבודד. למרות שעוביו של החומר הינו אטום יחיד, הגרפן מספק אפשרויות רבות לשינוי תכונותיו המוליכות למחצה.

נקודות קוונטיות (Quantum dots, הערך בוויקיפדיה) הינן פרודות גבישיות המורכבות מאטומים אחדים ועד מספר רב שלהם, אשר מגיבות עם אור ושדות מגנטיים בדרכים ייחודיות. גודל הנקודה קובע את פער הפסים – או במילים פשוטות – את כמות האנרגיה הנדרשת לשם סגירת מעגל חשמלי – וניתנת לכוונון ברמות מדויקות ביותר. תדירויות האור (והאנרגיה) הנפלטות מהנקודות הפעילות הופכות אותן לשימושיות במיוחד עבור חיישנים כימיים, תאים סולאריים, דימות רפואי ומעגלי-חשמל ננומטריים.

החוקרים חישבו ומצאו כי הרחקת “איים” של אטומי מימן משני צידיו של הגרפן תוביל לקבלת מתחמים בעלי תכונות של נקודות קוונטיות, ממצא שיוכל להוביל גם לפיתוחם של מערכי נקודות עבור יישומים רבים ומגוונים.

“הגענו לרעיונות אלו מתוך מחקר נפרד לחלוטין של אגירת אנרגיה בצורה של ספיחת אטומי מימן בגרפן,” אומר החוקר. “החוקרים בקבוצה הבינו כי מעבר מופעים (פאזות) זה – מגרפן מוליך (graphene) לגרפן מבודד (graphane), המלווה במעבר מ”מתכת” למבודד, מספק אוסף חדשני של פיתוחים עבור ננו-הנדסה.”

המחקר חשף מספר מאפיינים מענייניים. החוקרים מצאו כי כאשר מרחיקים “גושי” מימן תת-סריגים, המתחם שנותר קיים תמיד כמבנה משושה (הקסאגונאלי), עם קו ממשקי ברור בין שני סוגי הגרפן. הממצא הזה חשוב, הם אומרים, מכיוון שהדבר מוביל למסקנה כי כל נקודה מתוחמת ביותר; חישובים מראים כי קיימת “דליפה” מועטה ביותר של מטען לתוך החומר המארח (graphane).

“אתה מקבל ספקטרום דמוי-אטום בתוככי החומר, ואז ניתן לשנות את פער הפסים באמצעות שינוי גודלה של הנקודה,” מסביר החוקר. “כך, שבסופו של דבר ניתן לכוונן את התכונות האופטיות של החומר.”

מלבד היישומים האופטיים, הנקודות עשויות להיות שימושיות עבור חישה של פרודה יחידה ועשויות להוביל לפיתוחם של טרנזיסטורים ולייזרים של מוליכים למחצה זעירים מאוד, מציין החוקר.

עדיין קיימים אתגרים כגון להבין כיצד להכין מערכים של נקודות קוונטיות ביריעת גרפן, אולם החוקרים לא סבורים כי לא ניתן להתגבר על מהמורות אלו.

הידיעה מהאוניברסיטה