חומר פרו-אלקטרי חדשני עבור התקנים יעילים אנרגטית

^{גילוי של התנהגות של חומר מעניין בקנה מידה קטן יוכל להפחית את צריכת האנרגיה בתחום המחשוב}

^{[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]}

ככל שההתקנים האלקטרוניים הופכים לקטנים יותר ויותר, כך נדרשים החומרים המספקים להם אנרגיה להיות זעירים וזעירים יותר. לאור זאת, אחד מהאתגרים העיקריים שמולם ניצבים כימאים בעת הפיתוח של רכיבי אלקטרוניקה יעילים אנרגטית מהדור הבא הוא הפיתוח של חומרים שיוכלו לשמר את התכונות האלקטרוניות המיוחדות שלהם גם בקנה מידה זעיר במיוחד.
ferroelectrics

חומרים מתקדמים הידועים בשם ‘רכיבים פרו-אלקטריים’ (ferroelectrics ) מציעים פתרון מבטיח המסייע להפחית את כמות האנרגיה הנצרכת על ידי התקנים אלקטרוניים זעירים במיוחד הנמצאים בתוך טלפונים ומחשבים ניידים. ‘רכיבים פרו-אלקטריים’ – המקבילה האלקטרונית ל’פרו-מגנטיים’, הם משפחת חומרים שבהם חלק מהאטומים מסודרים מחוץ למרכז, מה שמוביל למטען חשמלי או קיטוב פנימי ספונטני. קיטוב פנימי זה יכול להיהפך כאשר חושפים את החומר למתח חיצוני. יכולת זו מציעה הבטחה כבירה עבור הפיתוח של מיקרו-רכיבי אלקטרוניקה הצורכים אנרגיה זעומה במיוחד. למרבה הצער, חומרים פרו-אלקטרוניים רגילים מאבדים את הקיטוב הפנימי שלהם מתחת לעובי של מספר ננומטרים. כלומר, חומרים אלו אינם תואמים את הטכנולוגיה הקיימת היום המבוססת על צורן (סיליקון). אולם, כעת חוקרים מאוניברסיטת ברקלי בקליפורניה שביצעו ניסויים מצאו פתרון שפותר את שתי הבעיות על ידי ייצור החומר הפרו-אלקטרי הדק ביותר הידוע עד היום. במחקר שפורסם זה מכבר בכתב העת המדעי היוקרתי סיינס, צוות המחקר גילה פרו-אלקטריות יציבה בשכבה זעירה במיוחד של דו-תחמוצת זירקוניום שעוביה כחצי ננומטר בלבד. גודל זה מקביל לגודל של אבן בניין אטומית יחידה, כמאתיים אלף דקה יותר מעוביה של שיערת אדם. צוות המחקר גידל את החומר הזה ישירות מעל שכבת צורן. הם גילו את היכולת הפרו-אלקטרית בדו-תחמוצת הזירקוניום – בדרך כלל חומר לא פרו-אלקטרי – כאשר השכבה היא בעובי של 2-1 ננומטרים. במיוחד, ההתנהגות הפרו-אלקטרית ממשיכה גם בעובי קרוב לאטומי המגיע לחצי ננומטר. פריצת דרך בסיסית זו מדגימה את החומר הפרו-אלקטרי הדקיק ביותר בעולם. ממצא זה מפתיע במיוחד עבור חומר שהוא ממש לא פרו-אלקטרי בתצורתו המאקרוסקופית.החוקרים גם הצליחו להחליף את הקיטוב בחומר הדקיק הזה מכיוון אחד לכיוון ההופכי לו בעזרת מתח נמוך, תכונה שמדגימה את אמצעי הזיכרון הפעיל הדקיק ביותר על גבי צורן שדווח עד כה. החומר החדשני מהווה גם הבטחה משמעותית עבור רכיבי אלקטרוניקה יעילים אנרגטית, במיוחד כאשר מביאים בחשבון את העובדה כי דו-תחמוצת הזירקוניום כבר כיום זמינה בשבבי צורן מהמתקדמים ביותר. “מחקר זה מהווה צעד משמעותי קדימה לעבר אפשרויות השילוב של רכיבים פרו-אלקטריים בתוך רכיבי מיקרואלקטרוניקה בקנה מידה גדול,” אמר סוראג’ צ’ימה החוקר המופיע ראשון בשמות המחברים של המאמר המתאר את המחקר הנוכחי.

הצפייה בהתנהגות פרו-אלקטרית של מערכות כה דקיקות חייבה את השימוש בציוד המתקדם ביותר הנמצא במשרד האנרגיה של ארה”ב. השיטה של ‘עֲקִיפַת קַרְנֵי רֶנְטְגֶן’ (X-ray diffraction) מספקת תובנות חשובות באשר לתופעה של פרו-אלקטריות,” אמר אחד מכותבי המאמר. מעבר להשלכות הטכנולוגיות המידיות, למחקר זה יש גם השלכות משמעותיות עבור הפיתוח של חומרים דו-מימדיים. “כיווץ גרידא של חומרים תלת-מימדיים לגבול העובי הדו-מימדי שלהם מציע דרך ישירה ויעילה לחשיפת תופעות נסתרות במגוון נרחב של חומרים פשוטים”, אמר החוקר הראשי. “שיטה זו ממש מרחיבה באופן משמעותי את מרחב העיצוב של חומרים עבור רכיבי אלקטרוניקה מהדור הבא כך שיכללו חומרים שכבר כיום מתאימים לטכנולוגיות צורן”. כפי שציין החוקר הראשי, הצמחה פשוטה של חומר תלת-מימדי בתצורת שכבות בעובי אטומי יכולה להציע דרך יעילה לפיתוחה של משפחה חדשה של חומרים דו-מימדיים – חומרים תלת-מימדיים בעובי של אטום יחיד – הרחוקים בתכונותיהם משכבות רגילות של חומרים דו-מימדיים, למשל גרפן (graphene). המדענים מקווים כי מחקרם זה יעודד מחקר נוסף באשר לחומרים תלת-מימדיים בעובי דו-מימדי שיוכלו להיות שימושיים בתור בסיס לפיתוח של רכיבי אלקטרוניקה יעילים מבחינה אנרגטית.

• ^{הידיעה אודות המאמר}
• ^{תקציר המאמר}

עוד בנושא באתר הידען:

• חוקרים מאונ’ תל-אביב יצרו זיכרון חשמלי בעובי שני אטומים בלבד
• שיטה חדשנית לייצור רכיבי אלקטרוניקה גמישים ודקים במיוחד
• מדפסת ננומטרית תלת מימדית לייצור מבנים זעירים במיוחד